Aplikované nanotechnologie

Katedra experimenta´lnı´ fyziky Univerzita Palacke´ho v Olomouci

Nanotechnologie

Prezentace k prˇedna´sˇce

Aplikovane´ nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur Nanometrologie

Aplikovane´ nanotechnologie

Nanomanipulace Aplikace za´kladnıćh nanosyste´mu˚ Nanoelektronika

Nanolitografie Nelitograficke´ techniky Vyuzˇitı´ SPM Bottom-up techniky

Metody tvorby nanostruktur

fyzika´lnı´ techniky: veˇtsˇinou top-down metody chemicke´ techniky: veˇtsˇinou bottom-up metody kombinovane´ techniky: vyuzˇ´ıvajı´ jak chemicke´, tak fyzika´lnı´ pu˚sobenı´ metody bud’ obecne´, nebo specificke´ pro dany´ vzorek (slozˇenı´, orientace) Deˇlenı´ podle u´bytku/prˇ´ıru˚stku subtraktivnı´ techniky aditivnı´ techniky



2


Pozna´mky k tvorbeˇ nanostruktur tvorba uzˇitecˇnyćh nanostruktur vyzˇaduje spojenı´ s mikrookolı´m propracovaneˇjsˇ´ı u top-down technik

u nanoobjektu˚ je trˇeba zohlednˇovat charakter chemickyćh vazeb naprˇ. vza´jemna´ orientace nemu˚zˇe by´t libovolna´ existuje hierarchie sı´ly vazeb naprˇ. vliv vdW interakce roste s rozmeˇrem molekuly, kovalentnı´ vazby jsou uzˇ vyuzˇity

rozmeˇry struktur jsou cˇasto za´rovenˇ nejmensˇ´ımi jednotkami, ktere´ lze neza´visle ovla´dat potrˇebne´ je omezenı´ a rˇ´ızenı´ stupnˇu˚ volnosti samovolne´ho pohybu stavebnıćh bloku˚ k dosazˇenı´ zˇa´dane´ho usporˇa´dańı´



3


Za´kladnı´ principy Opticka´ litografie Zpracovańı´ svazkem

Princip litografie

1

nanesenı´ vrstvy rezistu, vytvrzenı´

2

oza´rˇenı´ prˇes masku

3

vyvolańı´ obrazu

4

zahrˇa´tı´ – odstraneˇnı´ rozpousˇteˇdla

5

zpracovańı´ povrchu plana´rnı´ technologie vyuzˇ´ıvana´ hromadneˇ, vy´roba IO



4



Rezisty pozitivnı´ rezist oza´rˇena´ cˇa´st se sna´ze rozpousˇtı´ polymer s velkou mola´rnı´ hmotnostı´ sveˇtlo zpu˚sobı´ rozpad rˇeteˇzcu˚ prˇ´ıklad: PMMA M0 M= gεM 1 + ρA 0

negativnı´ rezist oza´rˇena´ cˇa´st ma´ mensˇ´ı rozpustnost

citlivost rezistu – da´vka nutna´ ke zmeˇneˇ kontrast rezistu – rozdı´l rozpustnosti, γ =


1 log D0 −log D1


5



Subtraktivnı´ metoda

mokre´ leptańı´ ponorˇenı´ do rozpousˇteˇdla, ktere´ nelepta´ rezist velice jednoduche´, ekonomicke´, rychle´, mnoho materia´lu˚ izotropnı´ leptańı´ – podleptańı´ struktur, neprˇesne´ latera´lnı´ rozmeˇry anizotropnı´ leptańı´ – pro neˇktere´ monokrystaly, naprˇ. KOH a {111}

suche´ leptańı´ leptańı´ pomocı´ bombardovańı´ povrchu vy´teˇzˇek S = 34 NπE2dCU , C = 1,81 nm2 IBE (cˇisteˇ fyzika´lnı´), RIE (kombinovane´ s chemickou cestou)

pozn.: obeˇtovane´ vrstvy



6



Aditivnı´ metoda lift-off na vytvarovany´ rezist se nanese vrstva materia´lu musı´ by´t nespojita´ rozpustı´ se rezist, oplaćhnutı´ jednoducha´ a efektivnı´ metoda vyzˇaduje strme´ prˇechody a smeˇrovou metodu depozice (i vhodna´ teplota) tlousˇt’ka vrstvy mensˇ´ı nezˇ tlousˇt’ka rezistu

elektrolyticky´ ru˚st vespod je vodiva´ vrstva, rezist vymezı´ prˇ´ıstupove´ okno prˇ. Ni: z roztoku NiCl2 se na katodeˇ redukuje Ni tlousˇt’ka rˇ´ızena cˇasem, Faradayu˚v za´kon m = ItM Fz , F = 96 500 C jednoducha´ metoda, vrstvy vysoke´ kvality v prˇ´ıpadeˇ nanostruktur proble´my s regeneracı´ elektrolytu Aplikovane´ nanotechnologie


7



Depozice z plynne´ fa´ze (CVD)

metoda vytva´rˇenı´ tenkyćh vrstev plynna´ sloucˇenina se vhańı´ do reakcˇnı´ komory, kde se rozkla´da´ na povrchu podlozˇky cela´ rˇada technik – LPCVD, MOCVD, PACVD typicke´ materia´ly: SiH4 pro poly-Si, SiH4 a O2 pro SiO2 , WF6 pro W pro mnoho kovu˚ (Cu, Al) se nevyuzˇ´ıva´ vlastnosti vrstev: jemna´ zrna, vysoka´ cˇistota, nepropustne´



8



Epitaxe pomocı´ molekula´rnıćh svazku˚ (MBE) evaporace materia´lu˚ (sublimace) ve vakuu 10−8 Pa (λ > d) jednotlive´ cely (Knudsen, Langmuir) majı´ uza´veˇrky kontrola pomocı´ RHEED atomy epitaxneˇ rostou na podlozˇce rychlost µm/h, monovrstva 1–5 s vysoka´ kvalita vrstev, lze rˇ´ıdit slozˇenı´ podlozˇka mu˚zˇe by´t zahrˇa´ta´, chlazena´ rotace pro lepsˇ´ı homogenitu ATG nestabilita vrstev – vznik ostru˚vku˚



9



Kontaktnı´ litografie charakterizace podle pouzˇite´ interakce paralelnı´ a sekvencˇnı´ parametry: 1 2

rozlisˇenı´ rychlost za´pisu

q blı´zka´ a kontaktnı´ litografie: 2bmin = 3 λ s + 2e rozlisˇenı´ horsˇ´ı vlivem rezistu nejvysˇsˇ´ı pro s = 0, ale proble´m s rovinnostı´ a zarovnańı´m proble´my jsou mensˇ´ı pro male´ s vysˇsˇ´ı rozlisˇenı´ – mensˇ´ı λ, nejsou proble´my s opticky´mi prvky



10



Projekcˇnı´ litografie

velka´ vzda´lenost s obcha´zı´ mechanicke´ proble´my pouzˇ´ıva´ se opticky´ syste´m projektujıćı´ masku na vzorek nelze zpracovat najednou cely´ povrch scanning – posunuje se soucˇasneˇ vzorek i maska v jednom smeˇru, promı´ta´ se 1:1, vyuzˇ´ıva´ se nejlepsˇ´ı oblasti opt. soustavy, maska bez redukce (draha´) step-and-repeat – promı´ta´ se zmensˇeny´ elementa´rnı´ vzorek, vzorek se hy´be ve dvou smeˇrech step-and-scan – kombinace obou

rozlisˇenı´ Lmin =

kλ NA ,

k teoreticky 0,61, NA azˇ 0,9



11



Projekcˇnı´ litografie velka´ vzda´lenost s obcha´zı´ mechanicke´ proble´my pouzˇ´ıva´ se opticky´ syste´m projektujıćı´ masku na vzorek nelze zpracovat najednou cely´ povrch scanning – posunuje se soucˇasneˇ vzorek i maska v jednom smeˇru, promı´ta´ se 1:1, vyuzˇ´ıva´ se nejlepsˇ´ı oblasti opt. soustavy, maska bez redukce (draha´) step-and-repeat – promı´ta´ se zmensˇeny´ elementa´rnı´ vzorek, vzorek se hy´be ve dvou smeˇrech step-and-scan – kombinace obou

rozlisˇenı´ Lmin =

kλ NA ,

k teoreticky 0,61, NA azˇ 0,9



11



Snı´zˇenı´ dolnı´ meze

oza´rˇenı´ pod u´hlem – posunutı´ difrakcˇnıćh pı´ku˚ prˇi oza´rˇenı´ pod velky´m u´hlem deformace masky – vzor na masce zohlednˇuje deformaci prˇi projekci maska s posuvem fa´ze – maska nemoduluje jen amplitudu, ale i fa´zi tak, aby sousednı´ oblasti meˇly fa´zovy´ posuv povrchove´ techniky – meˇnı´ se pouze povrch rezistu rtg litografie – snı´zˇenı´ λ, ale proble´my s projekcı´ (optikou – je mozˇna´ jen blı´zka´ litografie), nenı´ transparentnı´ materia´l extremnı´ UV – λ ∼ 13 nm, reflektivnı´ optika, soustavy z multivrstev



12



Litografie elektronovy´m svazkem (EBL) rezist se ozarˇuje elektronovy´m svazkem rˇ´ızeno pocˇ´ıtacˇem, neexistuje maska, bez difrakcˇnıćh omezenı´ sekvencˇnı´ proces, repeat-and-scan rezˇim v podstateˇ SEM, rezist naprˇ. PMMA cˇasta´ aplikace: masky pro optickou litografii tlousˇt’ky cˇar cca. 10 nm, lepsˇ´ı rozlisˇenı´ pro izolovane´ objekty, vliv SE (zlepsˇenı´ – vysˇsˇ´ı napeˇtı´, tencˇ´ı rezist) prima´rnı´ elektrony se mohou odrazit od podlozˇky – deformace do veˇtsˇ´ı vzda´lenosti mozˇnost interference Aplikovane´ nanotechnologie


13



Litografie zaostrˇeny´m iontovy´m svazkem (FIB) ionty majı´ mnohem veˇtsˇ´ı energii nezˇ elektrony, take´ mensˇ´ı rozptyl v rezistu LMI zdroj – kapalny´ zdroj kovovyćh iontu˚, nevy´hoda: disperze energie ru˚zne´ aplikace: litografie, depozice, tvorba defektu˚ iont Ga+ : nı´zka´ teplota tańı´, vhodna´ hmotnost, snadno odlisˇitelne´ elektrostaticke´ cˇocˇky opry´ska´vańı´ povrchu˚ gas assisted etching (GAE) vpousˇtı´ se halogenovy´ plyn zvy´sˇ´ı tvorbu volatilnıćh produktu˚ → doda´ chemickou citlivost lze odleptat oxidy bez posˇkozenı´ vodicˇu˚ Aplikovane´ nanotechnologie


14



Konstrukce FIB



15



Srovnańı´ iontu˚ a elektronu˚ (FIB vs. SEM)



16



Litografie zaostrˇeny´m iontovy´m svazkem (FIB) urychlenı´ 5–50 keV, desı´tky nA, stopa jednotky nm vznik posˇkozene´ vrstvy, lze odstranit nı´zkoenergeticky´m Ar svazkem Aplikace: ztencˇovańı´ vzorku˚ pro TEM loka´lnı´ depozice kov obsahujıćıćh plynu˚ (W(CO)6 ), ochranne´ obeˇtovane´ vrstvy implantace, IO – prˇerusˇenı´ nebo vytvorˇenı´ vodive´ cesty Mikroskopie lepsˇ´ı citlivost k detailu˚m typu krystalove´ orientace a zrn v kombinace se SEM lze zı´skat 3D data Aplikovane´ nanotechnologie


17



Aplikace FIB



18



Litografie neutra´lnı´mi atomy svazek neutra´lnıćh atomu˚ netrˇeba velke´ kineticke´ energie chybı´ totizˇ el. interakce

stojata´ sveˇtelna´ vlna (laser) idukovany´ dipo´l. moment atomu je prˇitahovań do maxima prˇitahovań do minima

v za´vislosti na znameńku ωlaser − ωatom modulace hustoty atomu˚ na povrchu lze vyuzˇ´ıvat i jine´ atomove´ optiky



19


Metody vyuzˇ´ıvajıćı´ formy a masky Metody vyuzˇ´ıvajıćı´ usporˇa´dane´ struktury

Terasy na monokrystalech v krystalech existujı´ roviny s husty´m obsazenı´m pro FCC mrˇ´ızˇku (Au, Pt, Cu) je nejhustsˇ´ı (111) rovina s u´hlem θ blı´zky´m nejhusteˇjsˇ´ı rovineˇ: rozdı´l v orientaci do 15◦ plocha tvorˇena´ atomy ma´ charakter schodu˚ (teras) vy´sˇka schodu˚ – vzda´lenost dvou krystalografickyćh rovin hustota a sˇ´ırˇka schodu˚ za´visı´ na θ a orientaci tg θ 1 n= = L h

lze vyuzˇ´ıt jako podklad pro prˇ´ıpravu nanostruktur zˇ´ıhańı´m lze strukturu pozmeˇnit, cik-cak struktury



20



Nanoimprint dvoustupnˇovy´ proces: formou se vytvaruje rezist (PMMA, PC) rezist se zpracuje (RIE)

pote´ na´sleduje zpracovańı´ (naprˇ. lift-off)

a)

b)

metoda jednoducha´, velmi prˇesna´ c)

hromadna´ produkce antiadhesivnı´ vrstva

d)

vtisk prˇi teploteˇ nad Tg po neˇkolik minut, ochlazenı´ pod tlakem

e)

prˇesnost za´visı´ na reologickyćh vlastnostech, η a Tg (lepsˇ´ı nı´zka´ M) kvalita otisku za´visı´ na tlousˇt’ce rezistu h minima´lnı´ motiv mu˚zˇe by´t mensˇ´ı nezˇ molekula rezistu Aplikovane´ nanotechnologie


21



Three-layer nanoimprint

proble´my u struktur s velky´m AR trojvrstvy´ proces: do hornı´ vrstvy PMMA se obtiskne forma pomocı´ RIE se prˇenese do PMGI vrstvy

spodnı´ rezist mu˚zˇe by´t tlustsˇ´ı spodnı´ rezist tepelneˇ stabilnı´ mezi rezisty je oddeˇlujıćı´ vrstva kovu (Ge) lze dosa´hnout rˇ´ızenı´ velikosti azˇ do 10 nm mu˚zˇe probı´hat prˇi pokojove´ teploteˇ



22



UV-NIL vyuzˇitı´ UV odstranı´ pomalost vzniklou zahrˇ´ıvańı´m a chlazenı´m nanese se monomer s katalyza´torem vtiskne se forma z krˇemene pouzˇije se UV za´rˇenı´ UV

v mı´stech, kde je forma propustna´, dojde k polymerizaci

11111111111 00000000000 00000000000 11111111111 00000000000 11111111111

forma se odda´lı´ vsˇe probı´ha´ prˇi pokojove´ teploteˇ, rychle´ docha´zı´ k ocˇisˇt’ovańı´ formy



11111111111 00000000000 00000000000 11111111111

23



Microcontact printing soft litografie – polydimeethylsiloxane (PDMS) silikonovy´ olej z –OSi(CH3 )2 O– ohebny´, pru˚hledny´, chemicky inertnı´

PDMS

z PDMS se vytvorˇ´ı obtisk formy nalitı´ prekurzoru PDMS a katalyza´toru zahrˇa´tı´ pro urychlenı´ reakce (80 ◦ C, 1 h) vlastnosti lze volit pomeˇrem slozˇek Au

namocˇenı´ PDMS razı´tka do thiolu obtisˇteˇnı´ na zlaty´ povrch (vazba S–Au) oblasti kontaktu jsou chrańeˇny thiolem zpracovańı´ Au vrstvy prˇ´ıpadne´ zpracovańı´ podlozˇky Aplikovane´ nanotechnologie


24



Microcontact printing mozˇnost tvorby na velkyćh plochaćh v jednom kroku lze pouzˇ´ıt i na zakrˇivene´ povrchy mozˇnost rotacˇnı´ho tisku rozlisˇenı´ omezeno difu´zı´ thiolu, asi 50 nm jine´ organicke´ molekuly (proteiny) lze tisknout na jine´ povrchy (sklo) oproti technika´m typu EBL, FIB, CVD cˇi MBE umozˇnˇuje vytva´rˇenı´ tvarovanyćh vrstev z (bio)molekul



25



Nanoembossing tvorba nanostruktur na povrchu objemove´ho materia´lu vyuzˇ´ıva´ kulicˇky z polymeru˚ (naprˇ. PMMA): kulicˇky se nasypou na povrch formy zvrchu se stlacˇ´ı deskou teplota se zvy´sˇ´ı nad Tg po urcˇite´ dobeˇ se teplota snı´zˇ´ı odda´lene´ desky

reprodukce je velmi veˇrna´

a)

b)

c)

lze tvorˇit najednou hluboke´ kana´ly i meˇlke´ ry´hy velmi levne´, aplikace: difrakcˇnı´ opticke´ elementy modifikace s laserem roztavenou vrstvou Si



26



Molding vyuzˇ´ıva´ se kapila´rnı´ sı´ly na rovinnou PDMS podlozˇku, ktera´ obsahuje po´ry, se nalije kapalny´ polymer kapila´rnı´ sı´la vtahuje polymer do po´ru˚ polymer ztuhne a vy´sledna´ sı´t’kopı´ruje pu˚vodnı´ po´ry rozpustı´ se PDMS tlousˇt’ky 10 nm lze pouzˇ´ıt pro loka´lnı´ depozici molekul (proteiny, katalyza´tory) obdobneˇ lze vyuzˇ´ıt naprˇ. po´ry v membrańaćh



27



Interface lithography PMMA

vytva´rˇenı´ trojrozmeˇrnyćh struktur kombinace dvou technik (dva typy rezistu)

1111 0000

pomocı´ EBL se vytvorˇ´ı zaveˇsˇena´ struktura pote´ se pomocı´ rtg litografie vytvorˇ´ı sloupcova´ struktura v rezistu PMMA elektrolyticky se necha´ vyru˚st kovova´ vy´plnˇ rtg oza´rˇenı´ mu˚zˇe by´t i sˇikme´ lze vytvorˇit naprˇ. dra´t zaveˇsˇeny´ na PMMA sloupcıćh



28



Samousporˇa´dańı´ (SA) self-assembly vyuzˇ´ıva´ nekovalentnı´ interakce docha´zı´ k samovolne´mu usporˇa´dańı´ za´kladnıćh jednotek za´kladnı´ jednotky – molekuly, nanocˇa´stice, koloidy

vy´sledna´ struktura je blı´zka´ termodynamicke´ rovnova´ze slabsˇ´ı interakce → samovolna´ korekce, bez defektu˚ usporˇa´dańı´ prˇi prˇechodu z kapalne´ nebo plynne´ fa´ze lze dosa´hnout velke´ vy´teˇzˇnosti prˇi relativnı´ jednoduchosti pro vyuzˇitelnost je trˇeba rozumny´ na´vrh za´kladnıćh jednotek: co bude pu˚sobit jako „lepidlo“ jak se jednotky poznajı´

zna´me´ prˇ´ıklady: SAM, koloidnı´ krystaly Aplikovane´ nanotechnologie


29



Za´kladnı´ interakce

za´kladnı´ interakce elektrostaticke´ vodı´kova´ vazba π-π interakce disperznı´ sı´ly hydrofobnı´ efekty koordinacˇnı´ vazba

k usporˇa´dańı´ docha´zı´ pu˚sobenı´m fyzika´lnı´m – docha´zı´ k minimalizaci energie chemicke´m – docha´zı´ ke komplementa´rnı´ vazbeˇ



30



Usporˇa´dańı´ cˇa´stic na podlozˇce pu˚sobenı´ kapila´rnıćh sil bez cˇa´stic bude povrch kapaliny rovny´ cˇa´stice jej deformujı´ → latera´lnı´ sı´ly

dva za´kladnı´ prˇ´ıstupy: cˇa´stice plujı´ v kapalineˇ, pu˚sobı´ gravitace cˇa´stice cˇa´stecˇneˇ ponorˇene´, pu˚sobı´ smaćˇenı´

sı´la pro 2 stejne´ cˇa´stice F ∼ σR K1 (L) F ∼ R2 σK1 (L) L vzda´lenost cˇa´stic σ povrchove´ napeˇtı´ K1 modifikovana´ Besselova funkce Aplikovane´ nanotechnologie


31



Template assisted SA (TASA) postupne´ vysychańı´ roztoku s koloidy povrch s vytvorˇeny´m vzorkem koloidy se zachycujı´ na vzorku usporˇa´dańı´ za´visı´ na geometrii nerovnostı´ uka´zka pro va´lcove´ otvory



32



TASA – 2D vzorek tvar shluku˚ za´visı´ na geometrickyćh pomeˇrech F – sloupek uprostrˇed, D – pro cˇtvercovou pyramidu



33



TASA – 1D vzorek za´rˇezy s profilem ve tvaru V struktura sˇroubovice



34



Self-assembled monolayers cˇasto alkenthioly typicky´ tvar molekuly povrchoveˇ aktivnı´ hlavicˇka alkylovy´ rˇeteˇzec koncova´ cˇa´st

charakter usporˇa´dańı´ hexagona´lnı´ struktura hlavicˇek molekuly majı´ sklon ∼ 30◦ (maximalizace vdW)

X(CH2 )n SH + Au0 → X(CH2 )n S− + Au1 + 12 H2 pro dobrou strukturu n > 11 i jine´ typy molekul



35



Prˇ´ıprava SAM

velmi jednoducha´ defekty: nerovnosti podlozˇky podmıńky prˇ´ıpravy

aplikace SAM vhodne´ pro nanolitografii aplikace v molekula´rnı´ elektronice ochrana proti korozi



36



SAM na nanocˇa´sticıćh

mozˇnost vytvorˇit SAM i na zakrˇivenyćh povrsˇ´ıch navazańı´ na cˇa´stice umozˇnı´ vznik organizovanyćh struktur



37



SA na vzorovanyćh povrsˇ´ıch

nanolitografickou technikou se modifikuje povrch tak, aby neˇktere´ oblasti byly pro za´kladnı´ bloky „chytlave´“, okolnı´ oblasti za´kladnı´ bloky je neva´zˇou

pouzˇije se postup ze SA ve vy´sledku je SA vrstva loka´lneˇ modifikovana´ ru˚zne´ metody modifikace povrchu elektrostaticka´, zakrytı´ Au vrstvy



38



Layer-by-Layer depozice (LBL) vyuzˇ´ıva´ elektrostaticke´ interakce – veˇtsˇ´ı mozˇnost kontroly nana´sˇ´ı la´tku na pevny´ povrch



39



Filmy Langmuira-Blodgettove´ mono cˇi vıćevrstvy amfifilnıćh molekul prˇenesene´ z rozhranı´ kapalina–plyn na pevnou podlozˇku na povrch kapaliny se naka´pne roztok molekul vytvorˇ´ı se monovrstva (prˇ´ıpadneˇ se stlacˇ´ı) skrze vrstvu se prota´hne podlozˇka prˇi vytahovańı´ podlozˇky se molekuly prˇichytı´ vznikajı´ 2 monovrstvy na podlozˇce opakovany´m ponorˇenı´m vznikajı´ vıćevrstvy



40



Nanosphere lithography tvorba periodickyćh objektu˚ vytvorˇenı´ monovrstvy z teˇsneˇ usporˇa´danyćh cˇa´stic depozice atomu˚ odstraneˇnı´ cˇa´stic mozˇnost masky ze dvou vrstev modifikace pro biomolekuly nanese se roztok sfe´r s molekulami sfe´ry vytvorˇ´ı usporˇa´dańı´, biomolekuly vrstvu na podlozˇce odstraneˇnı´ kulicˇek vznika´ souvisla´ vrstva biomolekul, prˇerusˇovana´ v mı´stech, kontaktu kulicˇek s podlozˇkou Aplikovane´ nanotechnologie


41


Atoma´rnı´ a molekula´rnı´ techniky Silove´ techniky

Scanning probe nanolithography vyuzˇ´ıvajı´ rˇadu loka´lnı´ interakcı´ hrot–vzorek rozlisˇenı´ jednotky azˇ desı´tky nm praće v okolnı´m prostrˇedı´ (bez vakua, extra cˇistyćh prostor) nevyuzˇ´ıvajı´ masky, rˇ´ızeno pocˇ´ıtacˇem se´riova´ podstata omezuje rychlost mohou pracovat s rezistem jako fotolitografie nebo EBL: prostoroveˇ omezene´ s mensˇ´ı energiı´ stacˇ´ı mensˇ´ı tlousˇt’ka rezistu lze kombinovat velke´ plochy FL, male´ SPM



42


Atoma´rnı´ a molekula´rnı´ techniky Silove´ techniky Elektricke´ techniky

Manipulace s atomy mozˇnost na atoma´rneˇ hladkyćh povrsˇ´ıch, demonstracˇnı´ STM i AFM, veˇtsˇinou odlisˇne´ podmıńky (teplota)

Xe na Ni

Fe na Cu

Si(7 × 7) Aplikovane´ nanotechnologie


43



Manipulace Sn/Si monoatoma´rnı´ Sn vrtsva na Si s Si defekty vertika´lnı´ manipulace (zameˇnˇovańı´ atomu˚) doba prˇ´ıpravy 1,5 hod



44



Chemicke´ reakce pomocı´ STM lze iniciovat chemicke´ reakce (neelasticke´ tunelovańı´) Ulmanova reakce, beˇzˇneˇ 210–300 K, zde prˇi 20 K



45



Sˇkra´bańı´ povrchu

nejjednodusˇsˇ´ı technika – mechanicka´ deformace dotek hrotu s povrchem – dolı´k nebo kopecˇek tazˇenı´ hrotu vytvorˇ´ı cˇa´ry ru˚zne´ zpu˚soby: odstraneˇnı´ substra´tu, vodnı´ vrstvy, nebo adherovane´ vrstvy, deformace substra´tu vy´sledek za´visı´ na polomeˇru hrotu, rychlosti tazˇenı´, substra´tu metody: kontaktnı´, poklepova´ typicky ry´ha obklopena´ zvy´sˇenou vrstvou lze strukturovat rezist



46



Nanoshaving a nanografting navazuje na prˇedchozı´, kontaktnı´ rezˇim odstranˇujı´ se adherovane´ vrstvy samousporˇa´danyćh kra´tkyćh molekul nanoshaving – jen odstraneˇnı´, ry´ha difu´ze molekul zhorsˇ´ı rozlisˇenı´

nanografting – v okolnı´m prostrˇedı´ dalsˇ´ı molekuly, dojde k nahrazenı´ podstatny´ je rozdı´l koncentracı´

mozˇnost prototypovańı´ nanoobvodu˚ tote´zˇ bez kontaktu, ale s prˇilozˇeny´m napeˇtı´m vytrzˇenı´ molekul

meniscus force nanografting take´ odstranˇovańı´ polymernıćh vrstev Aplikovane´ nanotechnologie


47



Samoorganizace nanostruktur vynucena´ SPM hrot skenuje (sı´la > 2 nN) po vrstveˇ z rotaxanu˚ (bistabilnı´ molekuly) skenovańı´ doda´va´ energii na zmeˇnu struktury, hrot struktury nezapisuje po neˇkolika skenech se vytvorˇ´ı usporˇa´dana´ struktura kulicˇek velikost a rozestup dań charakteristicky´m de´lkovy´m meˇrˇ´ıtkem transformace cˇ´ım tencˇ´ı film, tı´m mensˇ´ı a husteˇjsˇ´ı jsou kulicˇky



48


Silove´ techniky Elektricke´ techniky Dalsˇ´ı techniky

Loka´lnı´ anodicka´ oxidace (LAO) hrot loka´lneˇ oxiduje povrch vzorku hrot za´porny´, vznika´ el. pole elektroly´za vodnı´ho menisku doda´va´ OH− elektricke´ pole urychluje pohyb iontu˚ vlivem nizˇsˇ´ı hustoty oxidy vystupujı´ kontaktnı´ i poklepovy´ rezˇim vy´sˇka a tlousˇt’ka za´visı´ na napeˇtı´, rychlosti, okolnı´ vlhkosti oxidovy´ vzor lze i odleptat



49



Nanosvarˇovańı´

vyuzˇ´ıva´ loka´lnı´ oxidaci uchycenı´ nanotrubicˇky k podlozˇce klouzave´ spojenı´ oxid obru˚sta´ okolo trubicˇky

vyuzˇitı´ k slozˇity´m manipulacı´m



50



Constructive nanolithography (CNL) vodivy´ hrot zapisuje nedestruktivneˇ chemickou informaci na monovrstvu kontaktnı´ rezˇim, vodiva´ podlozˇka, vlhkost hrot oxiduje nebo redukuje a vytva´rˇ´ı skryty´ obraz obraz se vyvola´ chemickou interakcı´ s molekulami, ktere´ reagujı´ se zmeˇneˇny´mi koncovy´mi skupinami

R

R

R

R

R

−Si−O−Si−O−Si−O−Si−O−Si−O O

O

O

O

O

R

R

O

O

R


O

Si

O

O

O

Si

R

R

O

O

R


O

O

O

O

Si

obdobneˇ catalytic probe nanolithography bez napeˇtı´ hrot obsahuje vrstvu katalyza´toru Aplikovane´ nanotechnologie


51



AFM buzena´ elektrohydrodynamicka´ litografie elektricke´ pole nad roztaveny´m polymerem vyvola´ nestabilitu proti nı´ pu˚sobı´ povrchove´ napeˇtı´ polymer se ohrˇ´ıva´ Jouleovy´m teplem



52



Na´bojovy´ za´znam prˇilozˇene´ napeˇtı´, nedocha´zı´ k topograficky´m zmeˇna´m injekce kladne´ho nebo za´porne´ho na´boje do dielektrika (elektretu) mu˚zˇe cˇasem vymizet provedenı´: obdoba LAO s opacˇnou polaritou



53



Dip-pen nanometrove´ pero hrot namocˇen do roztoku vhodnyćh molekul meniskus mezi hrotem a vzorkem molekuly uvolnˇuje a prˇena´sˇ´ı uchycenı´ molekul na podlozˇce teˇzˇsˇ´ı pro velke´ molekuly elektrochemicka´ dip-pen: nanoelektrochemicky´ reaktor, redukce kovu na substra´tu



54



Dip-pen cela´ rˇada anorganickyćh materia´lu˚, i slozˇite´ magneticke´ sloucˇeniny veˇtsˇinou sˇpatneˇ krystalicke´ epitaxnı´ ru˚st CdS „nanoplacek“ inkoust 1 mM Cd(Ac)2 a 1 mM thioacetamid ru˚st troju´helnı´ku˚ – shodna´ vy´sˇka, dveˇ orientace neza´visle´ na skenovańı´ podobnost mrˇ´ızˇky slı´dy a CdS → mozˇnost epitaxe struktury odolne´ proti vodeˇ (prekurzory nejsou) na´ru˚st vy´sˇky po 0,07–0,10 nm (bunˇka ∼ 0,6 nm) DPN vy´hodna´ pro studium zacˇa´tku krystalizace na povrchu



55



Enzyme-Assisted Nanolithography na hrotu je imobilizovań enzym na podlozˇce pod hrotem v kontaktu depozice produktu rozkladu enzym alkalicka´ fosfata´za, substra´t BCIP and kofactor NBT tecˇky – nad jednim mı´stem 20 s, pak rychly´ prˇesun cˇa´ry – pomaly´ prˇesun 10 nm/s pru˚meˇr asi 150 nm, teoreticky i mensˇ´ı (kratsˇ´ı cˇas), vy´sˇky 10 nm



56



Tepelny´ za´znam

podklad z termoplasticke´ho polymeru nosnı´k obsahuje vodicˇe, ktere´ zahrˇ´ıvajı´ hrot kontaktnı´ rezˇim zapnutı´ proudu zvy´sˇ´ı teplotu nad Tg , pu˚sobıćı´ sı´la mechanicky deformuje po zchladnutı´ zu˚stane prohlubenˇ za´znamove´ me´dia: cˇtenı´ – s mensˇ´ım proudem, v dolı´ku veˇtsˇ´ı odvod tepla mazańı´ – zahrˇa´tı´ cele´ho disku



57



AFM termicka´ litografie polymeru˚

u beˇzˇnyćh „termickyćh“ litografiı´ nedocha´zı´ k chemicke´ zmeˇneˇ polymeru Poly(tert-butyl akryla´t) se nad 150 ◦ C rozkla´da´ prˇi zpracovańı´ velke´ plochy okraje tvorˇ´ı termolyzovane´ produkty, odtlacˇene´ latera´lnı´ silou



58



Feroelektricka´ a magneticka´ litografie meˇnı´ orientaci prˇ´ıslusˇnyćh domeń magneticka´ – pomocı´ MFM s mag. hrotem feroelektricka´ – pomocı´ napeˇtı´ (lze realizovat i bez SPM, vodiva´ forma) zubate´ okraje



59



Trojrozmeˇrna´ litografie

zahrˇa´ty´ hrot loka´lneˇ desorbuje materia´l



60



SPM techniky pro za´znamove´ aplikace vysoka´ hustota za´znamu: bunˇka 10 nm: hustota 1012 bitu˚/cm2 , soucˇasne´ technologie 109 bitu˚/cm2

proble´m s rychlostı´ – paralelnı´ tı´m vznika´ proble´m s detekcı´ – piezo mag. za´znam omezen velikostı´ domeń pro spotrˇebnı´ elektroniku nutnost mechanicke´ odolnosti



61


DNA nanokonstrukce DNA jako sˇablona – pro kovove´ kationy, nanocˇa´stice DNA jako strukturnı´ jednotka: dobrˇe prˇedpovı´datelna´ vazba zna´my´ struktura a velikost (pru˚meˇr 2 nm, de´lka 3,5 nm) struktura´lnı´ stabilita a flexibilita dvojsˇroubovice lze spojovat pomocı´ ssDNA sˇiroky´ repertoa´r laboratornıćh technik

pomocı´ „lepivyćh“ koncu˚ lze spojovat DNA do mrˇ´ızˇky obecneˇ nekonecˇne´, ale lze i „adresovatelneˇ“

na mrˇ´ızˇku se mohou va´zat naprˇ. proteiny



62


DNA origami vyzˇitı´ DNA jako stavebnıćh bloku˚, SA



63

´ vod do nanometrologie U AFM metrologie Standardy

Interferometrie

Problematika nanometrologie rozsˇ´ırˇenı´ de´lkove´ metrologie do nanorozmeˇru˚ zarucˇenı´ jednotnosti a spra´vnosti meˇrˇenı´ rozmeˇry pod 100 nm, nejistoty cˇasto pod 1 nm veˇtsˇinou mikroskopicke´ techniky komercˇnı´ prˇ´ıstroje bez na´vaznosti na jednotku de´lky

proble´m s definicemi dle norem

de´lkova´ metrologie – interference stabilizovany´m laserem pro prˇesna´ meˇrˇenı´ opticka´ interferometrie rozlisˇenı´ pod 1 nm i kapacitnı´ a induktivnı´ senzory bez na´vaznosti na metr du˚sledneˇ rozlisˇovat prˇesnost (rozlisˇenı´) a spra´vnost

konstrukce prˇ´ıstroju˚ izolace Aplikovane´ nanotechnologie

Nanometrologie

64


Interferometrie

Opticka´ interferometrie

vyuzˇitı´ vzda´lenosti maxim/minim – vlnova´ de´lka Michelsonu˚v interferometr polarizace, 1 nebo 2 vlnove´ de´lky pro mensˇ´ı rozmeˇry – interpolace teoreticky sinusovy´ pru˚beˇh vliv indexu lomu, polarizace, difrakce nedokonalosti optiky

pru˚meˇrovańı´ prˇes velkou plochu rozlisˇenı´ vıćesvazkovyćh specia´lnıćh interferometru˚ azˇ 0,01 nm


Nanometrologie

65


Interferometrie

Proble´my opticke´ interferometrie

v technicke´ praxi – meˇrky definice mechanicke´ho a opticke´ho rozhranı´ a drsnosti (chyba azˇ 50 nm) nejistota vlnove´ de´lky vliv teploty a mozˇnost jejı´ho urcˇenı´ index lomu prostrˇedı´, pro vliv mensˇ´ı nezˇ 10 nm prˇi 100 mm zmeˇna vlhkosti pod 10 % zmeˇna teploty pod 0,1 ◦ C zmeˇna tlaku pod 40 Pa vlnova´ de´lka s nejistotou pod nm


Nanometrologie

66


Interferometrie

Rentgenova´ interferometrie trˇi Si desticˇky z monokrystalu, rovnomeˇrneˇ vzda´lene´ vybrousˇene´ plochy kolme´ k rovina´m (220) LLL interferometr (Laueho difrakce, Braggu˚v odraz) minima vzda´lena´ o d220 , neza´visı´ na λ nelze pozorovat prˇ´ımo → Moire´ prouzˇky pohybem poslednı´ lamely


Nanometrologie

67


Interferometrie

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


Nanometrologie

68


Interferometrie

Vlastnosti COXI opticky´ interferometr hrube´, ale velmi prˇesne´ meˇrˇ´ıtko nava´zany´ na metr He-Ne laser stabilizovany´ I

rtg. interferometr deˇlı´ kazˇdy´ opticky´ „prouzˇek“ na rovne´ dı´ly (prˇes 800) (0,192 015 497 ± 1,2 · 10−8 ) nm prˇi 22,5 ◦ C a 100 kPa Mo Kα , prˇes va´lcove´ parabolicke´ zrcadlo zvy´sˇenı´ intenzity filtrace nezˇa´doucıćh slozˇek

prostrˇedı´ – tlumenı´ vibracı´, stabilnı´ teplota


Nanometrologie

69


Interferometrie

Princip kalibrace zrca´tko T spojeno s motorem zrca´tko X spojeno s posuvnou lamelou 1 2

3

4 5 6

7

motor v za´kladnı´ poloze T0 vy´sledek opticke´ interference je v libovolne´ hodnoteˇ posuvem X se opt. interference vyladı´ tak, aby byla v minimu motor se prˇesouva´ do polohy T1 pocˇ´ıta´ se pocˇet optickyćh prouzˇku˚ n pak se posune X tak, aby byl opticky´ prouzˇek opeˇt nulovy´, pocˇ´ıtajı´ se rtg. prouzˇky N vy´sledny´ posun je nλ + Nd220

pro male´ posuvy lze cˇ´ıtat pouze rtg. prouzˇky nad 7 µm prouzˇky mizı´ vlivem velke´ deformace materia´lu Aplikovane´ nanotechnologie

Nanometrologie

70


Metrologicke´ AFM obsahujı´ vazbu na definici metru 3 interferometry mozˇnost velke´ho skenovacı´ho rozsahu korekce prˇi vy´pocˇtu nebo real-time


Nanometrologie

71


Standardy roztecˇe prˇirozene´ standardy pro atoma´rnı´ rozmeˇry – perioda mrˇ´ızˇe vyzˇaduje atoma´rnı´ rozlisˇenı´ AFM i TEM, nelze pro SEM

umeˇle´ standardy 1D nebo 2D mrˇ´ızˇky

v prˇ´ıpadeˇ AFM platı´ cˇasto kalibrace jen pro dane´ podmıńky nutno zohlednit naprˇ. vy´sˇku vzorku


Nanometrologie

72


Vy´sˇkove´ standardy vy´sˇka neˇjake´ho prˇechodu vzˇdy proble´m s vlhkostı´ a znecˇisˇteˇnı´m

prˇirozene´ standardy 1

vicina´lnı´ povrchy

2

leptańı´ slı´dy vzorky typu DNA problematicke´ nemajı´ „normovany´“ tvar

naprˇ. Si(111) – 0,314 nm?? 3 4

umeˇle´ standardy pomocı´ mikrotechnologie od 8 nm, velke´ roztecˇe „kalibracˇnı´“ kulicˇky

meˇrˇenı´ prova´deˇt kolmo k prˇechodu Aplikovane´ nanotechnologie

Nanometrologie

73


Dalsˇ´ı standardy rovinnost krystaly rostle´ Czochralske´ho metodou vznikajı´ atoma´rneˇ hladne´ steˇny (< 1 nm)

drsnost mezera mezi rovinny´m sklem (∼ 2 nm) a technicky´mi standardy umeˇle zvra´sneˇne´ plochy (nanogrinding) zvra´sneˇne´ v jednom smeˇru, hladke´ v druhe´m

tlousˇt’ka vrstev tenka´ vrstva na cˇiste´ podlozˇce rozdı´lne´ pro ru˚zne´ techniky rtg – krˇemen, Ni vrstva mezi ochranny´mi uhlı´kovy´mi vrstvami elipsometrie – SiO2

urcˇovańı´ pomocı´ TEM, litograficke´ tvarovańı´ pro AFM Aplikovane´ nanotechnologie

Nanometrologie

74

Manipulace s nanoobjekty

Vyuzˇitı´ mikroskopickyćh technik Opticka´ pinzeta Nanomanipula´tory a na´stroje

Manipulace pomocı´ SPM prˇedevsˇ´ım nanocˇa´stice, nanodra´ty vyuzˇitı´ mechanicke´ interakce – tazˇenı´, tlacˇenı´ potrˇeba vypnutı´ zpeˇtne´ vazby k pohybu dojde, je-li pru˚meˇt sı´ly veˇtsˇ´ı nezˇ trˇecı´ sı´la


Nanomanipulace

75



Manipulace pomocı´ EM vy´jimecˇneˇ, veˇtsˇinou kombinace nanona´stroj a SEM

Sn nanodra´t v nanotrubicˇce Aplikovane´ nanotechnologie

Nanomanipulace

76



Manipulace pomocı´ FIB

ohyb nosnı´ku˚ pomocı´ tepelne´ho pu˚sobenı´


Nanomanipulace

77



Opticka´ pinzeta

tvarovany´ svazek zachytı´ mikroobjekty, mu˚zˇe i manipulovat princip – prˇenos momentu dielektricke´ objekty F ∼ 21 α∇E2 lze vyuzˇ´ıt i k mikroskopii


Nanomanipulace

78



Opticka´ pinzeta – konstrukce staveˇny z modifikovanyćh optickyćh mikroskopu˚


Nanomanipulace

79



Nanomanipula´tory syste´m s sˇiroky´m rozsahem pohybu a ostry´m hrotem mozˇnost kombinace vıće hrotu˚ prˇesnost polohovańı´ ∼ 1 nm vyuzˇitı´: manipulace s cˇa´sticemi, meˇrˇenı´ soucˇa´stek


Nanomanipulace

80



Mikrona´stroje vyuzˇitı´ analogiı´ z makrosveˇta klesˇteˇ – proble´my se silami (adheze) nu˚zˇ – rˇezańı´ NT pomocı´ napeˇtı´ prˇesnost polohy 50 nm


Nanomanipulace

81



Operace buneˇk

upraveny´ AFM hrot mozˇnost vpıćhnutı´, injekce apod.


Nanomanipulace

82

Nanocˇa´stice Nanodra´ty a nanotrubicˇky

Aplikace za´kladnıćh nanostruktur rozsˇ´ırˇenı´ aplikacı´ z mikrosveˇta: nanocˇa´stice pro lesˇteˇnı´ ochranne´ povlaky z nanofilmu˚

mnohdy jen marketingove´ triky nebo bez dolozˇene´ ućˇinnosti nerˇesˇ´ı se dopady aplikacı´ http://www.nanotechproject.org/inventories/ consumer/browse/ vybrane´ aplikace nanocˇa´stic: SiO2 brańı´ sra´zˇenı´ vody na skle Ce nanocˇa´stice jako aditiva do benzıńu


Aplikace za´kladnıćh nanosyste´mu˚

83


Kataly´za kataly´za – zmeˇna rychlosti chemicke´ reakce zpu˚sobena´ katalyza´torem katalyza´tor – neućˇastnı´ se chemicke´ reakce, ale ovlivnˇuje ji heterogennı´ kataly´za – katalyza´tor je v jine´m skupenstvı´ nezˇ reagujıćı´ la´tky cˇasto pevna´ la´tka, za´lezˇ´ı na plosˇe povrchu specificka´ plocha povrchu m2 /g u nanocˇa´stic extre´mneˇ vysoka´ (azˇ 1000 m2 /g) za´visı´ i na jinyćh parametrech, naprˇ. krystalove´ strukturˇe

nanocˇa´stice mohou by´t za´rodky pro dalsˇ´ı struktury detoxikace u´zemı´, cˇisˇteˇnı´ vod (Fe2 O3 ) fotokataly´za TiO2 Au – objemove´ inertnı´, nanocˇa´stice pod 5 nm katalyzujı´ CO Aplikovane´ nanotechnologie


84


Vyuzˇitı´ optickyćh vlastnostı´ opticke´ vlastnosti se meˇnı´ s velikostı´ cˇa´stic (posuv absorpcˇnıćh krˇivek) ochranne´ UV filtry z nanocˇa´stic TiO2 barvenı´ skla – nejstarsˇ´ı aplikace „nanotechnologiı´“ rteˇnky (Fe2 O3 )

1D rˇetı´zky cˇa´stic lze pouzˇ´ıt jako vlnovody kovove´ cˇa´stice zvysˇujı´ intenzitu Ramanova za´rˇenı´ (obecneˇ el. pole) sola´rnı´ cˇlańky – naprˇ. amorfnı´ Fe2 O3 Au nanocˇa´stice pro plazmonovou rezonanci (opticke´ zobrazovańı´, TERS)



85


Senzory senzory plynu˚ teˇlı´sko pokryte´ vrstvou s nanocˇa´sticemi reaguje na mnozˇstvı´ par danyćh la´tek veˇtsˇinou nenı´ citlivy´ jen na jednu la´tku dojde ke zmeˇneˇ odporu

aplikace Fe2 O3 pro detekci etanolu



86


Vyuzˇitı´ magnetickyćh vlastnostı´

magneticke´ separace la´tek magneticka´ cˇa´stice se pokryje vhodnou vrstvou dojde k chemicke´ vazbeˇ mezi vrstvou a odstranˇovanou la´tkou magnetem se odstranı´ cˇa´stice i s la´tkou naprˇ. syste´my pro cˇisˇteˇnı´ krve

magneticka´ za´znamova´ me´dia – vhodny´ tvar a velikost plynove´ senzory vyuzˇitı´ k chlazenı´ – magnetokaloricky´ jev (azˇ mK) detekce prˇ´ıtomnosti molekul



87


Le´karˇstvı´ a bioaplikace MRI hypertermie dorucˇovańı´ a uvolnˇovańı´ lećˇiv zachycovańı´ viru˚ antibakteria´lnı´ ućˇinky strˇ´ıbra i makroskopicke´ prˇ´ıprava „cˇiste´“ vody textil antibakteria´lnı´ obvazy obvazy na zapaćhajıćı´ rańy oblecˇenı´ (ponozˇky)



88


Fluorescencˇnı´ znacˇky veˇtsˇ´ı fluorescencˇnı´ kvantovy´ zisk nedocha´zı´ k vyblednutı´ veˇtsˇ´ı posuv frekvence uzˇsˇ´ı emisnı´ spektrum vıćebarevne´ zobrazovańı´ jsou o rˇa´d veˇtsˇ´ı – veˇtsˇ´ı deformace drahsˇ´ı nezˇ organicka´ barviva



89


Nanofluidy syste´m nanocˇa´stic v kapalineˇ (nutna´ stabilizace) vyuzˇitı´ naprˇ. chlazenı´ – zvy´sˇenı´ tepelne´ vodivosti, ovlivneˇnı´ viskozity ferrofluidy koloidnı´ syste´m z magnetickyćh nanocˇa´stic ∼ 10 nm surfaktanty zabranˇujı´ aglomeraci bez vneˇjsˇ´ıho magneticke´ho pole nulovy´ moment vneˇjsˇ´ı DC mag. pole cˇa´stice orientuje (podobnost s kapalny´mi krystaly) vytva´rˇ´ı se rˇetı´zky cˇa´stic paralelneˇ s polem cˇ´ım veˇtsˇ´ı pole, tı´m vıće cˇa´stic v rˇetı´zcıćh pro pole kolme´ k filmu vytva´rˇejı´ konce rˇetı´zku˚ hexagona´lnı´ usporˇa´dańı´ vzda´lenost rˇetı´zku˚ d za´visı´ na velikosti pole mu˚zˇe dojı´t azˇ k zamrznutı´ – pevna´ la´tka

mag. „jezˇek“ – nad prahovou intenzitou, minimalizuje mag. energii Aplikovane´ nanotechnologie


90


Nanofluidy syste´m nanocˇa´stic v kapalineˇ (nutna´ stabilizace) vyuzˇitı´ naprˇ. chlazenı´ – zvy´sˇenı´ tepelne´ vodivosti, ovlivneˇnı´ viskozity ferrofluidy koloidnı´ syste´m z magnetickyćh nanocˇa´stic ∼ 10 nm surfaktanty zabranˇujı´ aglomeraci bez vneˇjsˇ´ıho magneticke´ho pole nulovy´ moment vneˇjsˇ´ı DC mag. pole cˇa´stice orientuje (podobnost s kapalny´mi krystaly) vytva´rˇ´ı se rˇetı´zky cˇa´stic paralelneˇ s polem cˇ´ım veˇtsˇ´ı pole, tı´m vıće cˇa´stic v rˇetı´zcıćh pro pole kolme´ k filmu vytva´rˇejı´ konce rˇetı´zku˚ hexagona´lnı´ usporˇa´dańı´ vzda´lenost rˇetı´zku˚ d za´visı´ na velikosti pole mu˚zˇe dojı´t azˇ k zamrznutı´ – pevna´ la´tka

mag. „jezˇek“ – nad prahovou intenzitou, minimalizuje mag. energii Aplikovane´ nanotechnologie


90


Aplikace ferofluidu˚ ferofluidy vykazujı´ optickou aktivitu pohybove´ prvky – posun s mag. polem uzavı´rańı´ magnetickyćh obvodu˚ (slozˇite´ tvary) absorbe´ry mechanickyćh sˇoku˚ teˇsneˇnı´ proti necˇistota´m – uveˇzneˇnı´ mag. polem reproduktory – centrovańı´ cı´vky, chlazenı´, tlumenı´ magneticky´m polem laditelne´ difrakcˇnı´ mrˇ´ızˇky – zmeˇna d materia´ly absorbujıćı´ radarove´ za´rˇenı´ tepelne´ chlazenı´ – prˇi vysˇsˇ´ıch teplotaćh meńeˇ magneticke´, vznika´ tok cˇa´stic vizualizace magnetickyćh domeń prˇesne´ obra´beˇnı´ Aplikovane´ nanotechnologie


91


Koloidnı´ krystaly monodisperznı´ koloidy majı´ tendenci vytva´rˇet 3D usporˇa´dane´ struktury tvorba krystalu sedimentacı´ na podlozˇce, vlivem externı´ho pole apod. po vysusˇenı´ jsou krˇehke´, ve vodeˇ se rozpustı´ lze je povazˇovat za nanopore´znı´ materia´ly (matrice) fotonicke´ krystaly roviny difraktujı´ sveˇtlo: barvy (opa´l), filtry v RS, opt. senzory slozˇiteˇjsˇ´ı (foto)kataly´za

barevny´ inkoust 620 nm Aplikovane´ nanotechnologie


92


Aplikace fulerenu˚

doprava lećˇiv uvnitrˇ fulerenu˚ nelinea´rnı´ opticka´ absorpce – ochranne´ filtry lubrikanty (C60 Fn ) – ale drahe´ a nestabilnı´ ochrana kovovyćh iontu˚ prˇed agresivnı´m bioprostrˇedı´m prˇi vysˇetrˇenıćh FIB s vyuzˇitı´m ionizovanyćh C+ ´ nı´ s Ga+ : 60 , v porovna je ućˇinneˇjsˇ´ı prˇi nizˇsˇ´ı energii vytva´rˇ´ı mensˇ´ı zvra´sneˇnı´ povrchu

pu˚sobı´ jako antioxidanty (kosmetika)



93


Aplikace nanodra´tu˚ vodicˇe – neplatı´ G = σS/l balisticky´ rezˇim pro Lsvd < l jednoduchy´ model kvantove´ho vodicˇe: nanodra´t spojuje dva rezervoa´ry s T1 , µ1 a T2 , µ2 , zde µ1 − µ2 = eU udrzˇuje se koherentnı´ fa´ze pro dokonaly´ balisticky´ rezˇim s jednı´m obsazeny´m stavem Z 2e I= [f1 (E) − f2 (E)] d E h pro T = 0 K je vodivost G = G0 = 2e2 /h = 0,77 mS

Au–Ni nanodra´t jako termocˇlańek s rychlou odezvou



94


Aplikace nanotrubicˇek vodicˇe z kovovyćh nanotrubicˇek spojenı´ dvou NT s rozdı´lnou chiralitou vytva´rˇ´ı diodu FET tranzistory s nanotrubicˇkou hroty pro SPM ochrana proti elektricky´m vy´boju˚m (polymernı´ matrice) brańı´ hromadeˇnı´ na´boje na izolacˇnıćh polymerech

elektromagneticke´ stıńeˇnı´ tepelne´ chlazenı´ na cˇipech mechanicke´ zpevneˇnı´ (na´hrada uhlı´kovyćh vla´ken) proble´m s prˇenosem nama´hańı´ – netecˇne´ tlumenı´ vibracı´



95


Aplikace nanotrubicˇek FE zdroj elektronu˚ jsou chemicky odolne´ proti znecˇisˇteˇnı´ pevna´ vazba brańı´ odpra´sˇenı´ lze dosa´hnout vysokyćh proudu˚ (odolajı´ azˇ 109 A/cm−2 ) emise je stabilnı´, dlouha´ zˇivotnost aplikace – monitory, „zˇa´rovky“

superkondenza´tory vzda´lenost desek je ∼ 1 nm velka´ plocha povrchu NT azˇ 200 F/g

pohybove´ prvky – ovla´dacı´ napeˇtı´ ∼ 1 V (naprˇ. PZT ∼ 100 V) senzory – velka´ plocha povrchu, ovlivneˇnı´ transportu elektronu˚ baterie – Li+ ionty se vkla´dajı´ do grafitovyćh vrstev, B-dopovane´ NT jako nejefektivneˇjsˇ´ı uchovańı´ vodı´ku/plynu˚ uvnitrˇ trubicˇek synte´za nanodra´tu˚ Aplikovane ´ nanotechnologie Aplikace za´kladnıćh nanosyste´mu˚ 96 realizace cˇerne´ho teˇlesa


Nanovla´kna shluk vla´ken ve formeˇ (netkane´) textilie, pru˚meˇry pod 1000 nm prˇ´ıprava Nanospider – elektrostaticke´ zvla´knˇovańı´ aplikace velka´ plocha povrchu – funkcionalizace (fotovoltaika) tlumenı´ hluku obvazy nepropustne´ pro bakterie (obecneˇ filtry) „inteligentnı´“ oblecˇenı´



97

Omezenı´ soucˇasne´ elektroniky Elektronicke´ nanosyste´my

CMOS elektronika

Omezenı´ soucˇasne´ elektroniky

zalozˇena´ na vyuzˇitı´ polovodicˇu˚ prˇeva´zˇneˇ CMOS technologie plana´rnı´ technologie ztra´tovy´ tepelny´ vy´kon dotovańı´ polovodicˇu˚ spıńacı´ doby de´lka a pocˇet vodicˇu˚ – prodlenı´, veˇtsˇ´ı odpor (pru˚rˇez)


Nanoelektronika

98


CMOS elektronika

Sˇka´lovańı´ CMOS tranzistoru

MOS tranzistor – pru˚chod proudu ovlivnitelny´ polem (napeˇtı´m) du˚lezˇity´m parametrem je de´lka hradla LG CMOS – pouzˇitı´ PMOS a NMOS zmensˇenı´ rozmeˇru˚ vede ke snı´zˇenı´ LG vliv na Ion , Ioff prˇiblı´zˇenı´ vypra´zdneˇnyćh oblastı´ snı´zˇenı´ potencia´love´ barie´ry

vliv tlousˇt’ky oxidove´ vrstvy e redukce rozmeˇru˚ – proble´my s propojenı´m


Nanoelektronika

99


CMOS elektronika

NanoMOS rozmeˇry azˇ LG = 16 nm proble´my s vrstvou oxidu zı´skańı´ homogennıćh vlastnostı´ na cˇipu vznik slabyćh mı´st omezenı´ neprˇ´ıznive´ho vlivu drsnosti pru˚chod dopantu˚ z jedne´ oblasti do druhe´ tunelovańı´ proudu

jine´ technologie nezˇ CMOS HEMT supravodicˇe molekula´rnı´ elektronika jine´ architektury (opticke´, kapacitnı´)


Nanoelektronika

100


CMOS elektronika

Nanotrioda

princip vakuove´ triody v pevne´ la´tce (mikrovakuova´ elektronika – MVE) vyuzˇ´ıva´ polnı´ emise z W sloupku˚


Nanoelektronika

101


Paralelnı´ architektury Softcomputing

Adaptace pro nanosyste´my velky´ pocˇet velmi malyćh prvku˚ proble´m s propojovańı´m vodicˇi (adresace, programovańı´ apod.) vhodna´ loka´lnı´ struktura – prvek interaguje jen se svy´m okolı´m opakovańı´ stejne´ho motivu

velka´ chybovost

mnoho prvku˚ bude vadnyćh i klasicke´ polovodicˇe majı´ velky´ rozptyl parametru˚ jediny´ vadny´ prvek v CMOS zpu˚sobı´ nefunkcˇnost, redundance je draha´

nutna´ robustnost citlivost na okolnı´ podmıńky

projevy kvantove´ho sveˇta samokonfigurovańı´, samooptimalizovańı´, samolećˇenı´ tolerance k defektu˚m – schopnost pracovat i bez fyzicke´ opravy

klasicke´ pocˇ´ıtacˇe/procesory velka´ ru˚znorodost jednotek limity technologie sˇpatne´ zmensˇovańı´ architektur s dlouhy´mi vzda´lenostmi Aplikovane´ nanotechnologie

Nanoelektronika

102



Paralelizace zvy´sˇenı´ vy´konnosti pomocı´ soucˇasnyćh vy´pocˇtu˚ soucˇasne´ syste´my: jeden cˇi neˇkolik procesoru˚/jader fyzicke´ oddeˇlenı´ pameˇti (dat a programu) a procesoru jednoducha´ architektura a realizace veˇtsˇina obvodu˚ je v dane´m cˇase neaktivnı´ a generuje ztra´tove´ teplo

paralelnı´ usporˇa´dańı´ – na´rocˇne´ na harmonizaci ućˇinnost za´visı´ na definici

F

F

krite´rium cˇas: stacˇ´ı paralelnı´ usporˇa´dańı´ krite´rium frekvence/plocha cˇipu: paralelnı´ suboperace

η0 F

F

1 F1

F

2

η 0 =N η 0


Nanoelektronika

η0 F2

η 0 =N η 0

103



Rekonfigurace rekonfigurovatelne´ pocˇ´ıtacˇe sesta´va´ z opakujıćı´ se architektury kazˇdy´ element obsahuje loka´lnı´ instrukcˇnı´ jednotku a pameˇt’dat logicka´ funkce jednotky lze programovat prˇes rekonfigurovatelne´ logicke´ bloky mozˇnost rekonfigurace prˇeva´dı´ hardware na software naprˇ. adresovatelne´ spıńacˇe

look-up tabulky mı´sto vy´pocˇtu˚ lze vy´sledek vyhledat kombinace vstupnıćh hodnot slouzˇ´ı jako adresa aritmeticka´ jednotka je nahrazena pameˇtı´ + kdyzˇ ma´me pameˇt’, mu˚zˇeme i pocˇ´ıtat + cˇas vy´pocˇtu neza´visı´ na opera´toru, ale na technologii a strukturˇe pameˇti + lze-li meˇnit obsah pameˇti, lze funkci prˇizpu˚sobovat − slozˇite´/prˇesne´ operace vyzˇadujı´ velkou kapacitu pameˇti − slozˇitost adresovacı´ho obvodu Aplikovane´ nanotechnologie

Nanoelektronika

104



Softcomputing vyuzˇitı´ fuzzy syste´mu˚, genetickyćh algoritmu˚ a umeˇlyćh neuronovyćh sı´tı´ du˚raz na autonomnı´ syste´my (obtı´zˇne´ programovańı´) fuzzy syste´my strukturovańı´ a programovańı´ pomocı´ lingvistickyćh dat zpracovańı´ je odolne´ vzhledem ke zmeˇna´m absolutnıćh hodnot velicˇin zpravidla stacˇ´ı do 5 pravidel

evolucˇnı´ algoritmy vhodna´ volba cı´love´ funkce mutace a krˇ´ızˇenı´ dat

connectionistic syste´my jednotlive´ procesory jsou prˇ´ımo spojeny sı´la vazeb urcˇuje chovańı´ sı´teˇ specia´lnı´m prˇ´ıpadem jsou neuronove´ sı´teˇ Aplikovane´ nanotechnologie

Nanoelektronika

105



Rozlozˇene´ a odolne´ u´lozˇisˇteˇ

asociativnı´ pameˇt’– nevyuzˇ´ıva´ adresu asociativnı´ matice va´ha bud’ jedna nebo nula ve fa´zi ucˇenı´ se nastavı´ jedna v uzlu, kde x = 1 a y = 1 prˇi vybavovańı´ se vstup X prona´sobı´ s kazˇdy´m sloupcem vah, vy´sledky se secˇtou a prahujı´ volba prahu urcˇuje veˇrohodnost snı´zˇenı´ prahu toleruje chyby

kazˇda´ informace je ulozˇena v cele´m objemu matice funguje jen pro rˇ´ıdke´ matice


Nanoelektronika

106



Specia´lnı´ hradla vıćehodnotova´ logika (naprˇ. i ukla´dańı´ do pameˇtı´) Fredkinova hradla beˇzˇna´ hradla vedou ke ztra´teˇ informace spojenı´ s entropiı´ a disipacı´ energie – ohrˇev ∆E = kB T ln 2∆H trˇi vstupy (u, x1 , x2 ) a vy´stupy (v = u, y1 = ux1 + ux2 , y2 = ux1 + ux2 ) pouzˇije se jen jeden zˇa´doucı´ vy´stup, ostatnı´ jdou do „odpadu“ k ohrˇevu dojde azˇ mimo hradlo

ohrˇev vy´znamny´ u molekula´rnıćh procesu˚ (obtı´zˇne´ chlazenı´) vyuzˇitı´ naprˇ. u = a, x1 = b, x2 = 0 zı´ska´me AND y1 = ab

veˇtsˇinova´ hradla

vy´stup je roven prˇevazˇujıćı´ hodnoteˇ na vstupu naprˇ. x1 = 0, x2 = 0, x3 = 1 da´va´ y = 0 za´rovenˇ univerza´lnı´ hradlo: je-li rˇ´ıdıćı´ signa´l 0, realizuje AND je-li rˇidıćı´ signa´l 1, realizuje OR

1

1

0

0

du˚lezˇite´ pro chybujıćı´ nanosyste´my

potrˇeba rozhranı´ s konvencˇnı´ Boolovou algebrou Aplikovane´ nanotechnologie

Nanoelektronika

0

AND

1

0

OR

1

107

Vybrana´ literatura Dostupne´ elektronicky: Springer Handbook of Nanotechnology Introduction to Nanoscale Science and Technology Ostatnı´: Dupas, C.; Houdy, P.; Lahmani, M.: Nanoscience, Springer Ko¨hler, M.; Fritzsche, W.: Nanotechnology. An Introduction to Nanostructuring Techniques, Wiley Goser, K.; Glo¨seko¨tter, 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


108

Aplikované nanotechnologie

Recommend Documents