Katedra experimentální fyziky Univerzita Palackého v Olomouci
Nanotechnologie
Prezentace k přednášce
Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika MEMS, NEMS a molekulární stroje
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Aplikace základních nanostruktur rozšíření aplikací z mikrosvěta: nanočástice pro leštění ochranné povlaky z nanofilmů
mnohdy jen marketingové triky nebo bez doložené účinnosti neřeší se dopady aplikací http://www.nanotechproject.org/inventories/ consumer/browse/ vybrané aplikace nanočástic: SiO2 brání srážení vody na skle Ce nanočástice jako aditiva do benzínu
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
2
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Katalýza katalýza – změna rychlosti chemické reakce způsobená katalyzátorem katalyzátor – neúčastní se chemické reakce, ale ovlivňuje ji heterogenní katalýza – katalyzátor je v jiném skupenství než reagující látky často pevná látka, záleží na ploše povrchu specifická plocha povrchu m2 /g u nanočástic extrémně vysoká (až 1 000 m2 /g) závisí i na jiných parametrech, např. krystalové struktuře
nanočástice mohou být zárodky pro další struktury detoxikace území, čištění vod (Fe2 O3 ) fotokatalýza TiO2 Au – objemové inertní, nanočástice pod 5 nm katalyzují CO Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
3
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Využití optických vlastností optické vlastnosti se mění s velikostí částic (posuv absorpčních křivek) ochranné UV filtry z nanočástic TiO2 barvení skla – nejstarší aplikace „nanotechnologií“ rtěnky (Fe2 O3 )
1D řetízky částic lze použít jako vlnovody kovové částice zvyšují intenzitu Ramanova záření (obecně el. pole) solární články – např. amorfní Fe2 O3 Au nanočástice pro plazmonovou rezonanci (optické zobrazování, TERS)
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
4
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Senzory senzory plynů tělísko pokryté vrstvou s nanočásticemi reaguje na množství par daných látek většinou není citlivý jen na jednu látku dojde ke změně odporu
aplikace Fe2 O3 pro detekci etanolu
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
5
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Využití magnetických vlastností
magnetické separace látek magnetická částice se pokryje vhodnou vrstvou dojde k chemické vazbě mezi vrstvou a odstraňovanou látkou magnetem se odstraní částice i s látkou např. systémy pro čištění krve
magnetická záznamová média – vhodný tvar a velikost plynové senzory využití k chlazení – magnetokalorický jev (až mK) detekce přítomnosti molekul
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
6
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Lékařství a bioaplikace MRI hypertermie doručování a uvolňování léčiv zachycování virů antibakteriální účinky stříbra i makroskopické příprava „čisté“ vody textil antibakteriální obvazy obvazy na zapáchající rány oblečení (ponožky)
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
7
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Fluorescenční značky větší fluorescenční kvantový zisk nedochází k vyblednutí větší posuv frekvence užší emisní spektrum vícebarevné zobrazování jsou o řád větší – větší deformace drahší než organická barviva
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
8
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Nanofluidy systém nanočástic v kapalině (nutná stabilizace) využití např. chlazení – zvýšení tepelné vodivosti, ovlivnění viskozity ferofluidy koloidní systém z magnetických nanočástic ∼ 10 nm surfaktanty zabraňují aglomeraci bez vnějšího magnetického pole nulový moment vnější DC mag. pole částice orientuje (podobnost s kapalnými krystaly) vytváří se řetízky částic paralelně s polem čím větší pole, tím více částic v řetízcích pro pole kolmé k filmu vytvářejí konce řetízků hexagonální uspořádání vzdálenost řetízků d závisí na velikosti pole může dojít až k zamrznutí – pevná látka
mag. „ježek“ – nad prahovou intenzitou, minimalizuje mag. energii Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
9
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Nanofluidy systém nanočástic v kapalině (nutná stabilizace) využití např. chlazení – zvýšení tepelné vodivosti, ovlivnění viskozity ferofluidy koloidní systém z magnetických nanočástic ∼ 10 nm surfaktanty zabraňují aglomeraci bez vnějšího magnetického pole nulový moment vnější DC mag. pole částice orientuje (podobnost s kapalnými krystaly) vytváří se řetízky částic paralelně s polem čím větší pole, tím více částic v řetízcích pro pole kolmé k filmu vytvářejí konce řetízků hexagonální uspořádání vzdálenost řetízků d závisí na velikosti pole může dojít až k zamrznutí – pevná látka
mag. „ježek“ – nad prahovou intenzitou, minimalizuje mag. energii Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
9
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Aplikace ferofluidů ferofluidy vykazují optickou aktivitu pohybové prvky – posun s mag. polem uzavírání magnetických obvodů (složité tvary) absorbéry mechanických šoků těsnění proti nečistotám – uvěznění mag. polem reproduktory – centrování cívky, chlazení, tlumení magnetickým polem laditelné difrakční mřížky – změna d materiály absorbující radarové záření tepelné chlazení – při vyšších teplotách méně magnetické, vzniká tok částic vizualizace magnetických domén přesné obrábění Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
10
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Koloidní krystaly monodisperzní koloidy mají tendenci vytvářet 3D uspořádané struktury tvorba krystalu sedimentací na podložce, vlivem externího pole apod. po vysušení jsou křehké, ve vodě se rozpustí lze je považovat za nanoporézní materiály (matrice) fotonické krystaly roviny difraktují světlo: barvy (opál), filtry v RS, opt. senzory složitější (foto)katalýza
barevný inkoust 620 nm Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
11
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Aplikace fulerenů
doprava léčiv uvnitř fulerenů nelineární optická absorpce – ochranné filtry lubrikanty (C60 Fn ) – ale drahé a nestabilní ochrana kovových iontů před agresivním bioprostředím při vyšetřeních + FIB s využitím ionizovaných C+ 60 , v porovnání s Ga :
je účinnější při nižší energii vytváří menší zvrásnění povrchu
působí jako antioxidanty (kosmetika)
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
12
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Aplikace nanodrátů vodiče – neplatí G = σS/l balistický režim pro Lsvd < l jednoduchý model kvantového vodiče: nanodrát spojuje dva rezervoáry s T1 , µ1 a T2 , µ2 , zde µ1 − µ2 = eU udržuje se koherentní fáze pro dokonalý balistický režim s jedním obsazeným 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 nanodrát jako termočlánek s rychlou odezvou
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
13
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Aplikace nanotrubiček vodiče z kovových nanotrubiček spojení dvou NT s rozdílnou chiralitou vytváří diodu FET tranzistory s nanotrubičkou hroty pro SPM ochrana proti elektrickým výbojům (polymerní matrice) brání hromadění náboje na izolačních polymerech
elektromagnetické stínění tepelné chlazení na čipech mechanické zpevnění (náhrada uhlíkových vláken) problém s přenosem namáhání – netečné tlumení vibrací
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
14
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Aplikace nanotrubiček FE zdroj elektronů jsou chemicky odolné proti znečištění pevná vazba brání odprášení lze dosáhnout vysokých proudů (odolají až 109 A/cm−2 ) emise je stabilní, dlouhá životnost aplikace – monitory, „žárovky“
superkondenzátory vzdálenost desek je ∼ 1 nm velká plocha povrchu NT až 200 F/g
pohybové prvky – ovládací napětí ∼ 1 V (např. PZT ∼ 100 V) senzory – velká plocha povrchu, ovlivnění transportu elektronů baterie – Li+ ionty se vkládají do grafitových vrstev, B-dopované NT jako nejefektivnější uchování vodíku/plynů uvnitř trubiček syntéza nanodrátů Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 15 realizace černého tělesa
Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky
Nanovlákna shluk vláken ve formě (netkané) textilie, průměry pod 1 000 nm příprava Nanospider – elektrostatické zvlákňování aplikace velká plocha povrchu – funkcionalizace (fotovoltaika) tlumení hluku obvazy nepropustné pro bakterie (obecně filtry) „inteligentní“ oblečení
Aplikované nanotechnologie
Aplikace základních nanosystémů
16
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
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)
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
17
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
18
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
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)
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
19
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
CMOS elektronika
Nanotrioda
princip vakuové triody v pevné látce (mikrovakuová elektronika – MVE) využívá polní emise z W sloupků
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
20
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
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
Nanoelektronika
21
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Paralelní architektury Softcomputing
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
η0 F2
η 0 =N η 0
22
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Paralelní architektury Softcomputing
Rekonfigurace rekonfigurovatelné počítače složen z opakující se architektury každý element obsahuje lokální instrukční jednotku a paměť dat logická funkce jednotky lze programovat přes rekonfigurovatelné logické bloky možnost rekonfigurace převádí hardware na software např. adresovatelné spínače
look-up tabulky 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
Nanoelektronika
23
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Paralelní architektury Softcomputing
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
Nanoelektronika
24
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Paralelní architektury Softcomputing
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
Nanoelektronika
25
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Paralelní architektury Softcomputing
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
26
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Paralelní architektury Softcomputing
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
Nanoelektronika
0
AND
1
0
OR
1
27
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Biologické koncepty
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
28
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Biologické koncepty
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
29
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Biologické koncepty
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
Nanoelektronika
30
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Biologické koncepty
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
31
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Biologické koncepty
Bioelektronika
inspirace biologickými systémy, wet electronics 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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
32
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Biologické koncepty
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
Nanoelektronika
33
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Biologické koncepty
Přehled nanoelektroniky
Buňková pole
Tolerantní k chybám
Inspirovaná biologií
RSFQ
1D struktury
Rezonanční tunelování
Jednoelektronová zařízení
Fázová změna
Floating body DRAM
Nano FG
Jednoelektronová
Aplikované nanotechnologie
Kvantové počítání
Molekulární
QCA
Insulator resistance change
Nanoelektronika
Architektura Spinové tranzistory
Molekulární
Logika Paměti
34
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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 dobré odstínění vstupů a výstupů funkce obvodu nezávisí na stavu obvodů připojených k jeho výstupu
možnost rozvětvení výstupu dobrá průchodnost signálu přes tisíce a více modulů velký zisk odolnost vůči malým odchylkám v prostředí či výrobě
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
35
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
36
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Elektrody a kontakty
technika zlomu STM hrot planární nanomezera pospojované nanočástice
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
37
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
38
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Molekulární drát
v alifatických řetězcích jsou saturované vazby – izolátory π oligomery mohou být vodivé vodivost souvisí s délkou G = G0 e−βL
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
39
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
40
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Molekulární tranzistor tranzistor typu FET molekula benzen-1,4-dithiolat hradlo posouvá energetické úrovně
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
41
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Bistabilní molekuly
konfigurace molekul závisí na podmínkách může být více stavů zpravidla přepínání světlem aplikace v pamětích
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
42
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Elektromechanické zesilovače
využití C60 a STM aplikace 20 mV modulace na piezo vede k modulaci 100 mV na zátěžovém rezistoru
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
43
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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 na nízkou hodnotu. 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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
44
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
45
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Přenos informace mezi bloky
v běžné elektronice pomocí vodičů chemická komunikace 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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
46
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Rozdělení nanozařízení
Kvantová nanoelektronická zařízení Pevnolátková
Kvantové tečky
Rezonanční tunelovací
Aplikované nanotechnologie
Molekulární
Jednoelektronové
Nanoelektronika
Hybridní mikro−nano
47
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
48
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
49
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Rezonanční tunelovací dioda (RTD) heterostruktury s dvojitou tunelovou bariérou vytvoří záporný dif. odpor podobně jako Gunnova 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
Nanoelektronika
50
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
51
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
52
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
53
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
54
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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:
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
55
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
55
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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.
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
56
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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)
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
57
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
58
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
59
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
60
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
61
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
62
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Nanoelektronika
63
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
Vícehodnotové aplikace SET
paměťový prvek uchovává počet elektronů výstupní napětí je multistabilní
jednoelektronový kvantizátor
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
64
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
AD převodník se SET
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
65
Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů
Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení
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
Aplikované nanotechnologie
Nanoelektronika
66
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
67
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Úvod Materiály a technologie MEMS senzory
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
67
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Úvod Materiály a technologie MEMS senzory
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
68
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Úvod Materiály a technologie MEMS senzory
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
69
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Úvod Materiály a technologie MEMS senzory
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
70
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Úvod Materiály a technologie MEMS senzory
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
Si (mono, poly, porézní), SiO2 , Ni3 Si4 Ge, SiGe, SiC kovy Al, Au, i magnetické NiFe feroelektrika, polymery Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
71
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Úvod Materiály a technologie MEMS senzory
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
72
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Úvod Materiály a technologie MEMS senzory
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
73
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
74
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
75
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
76
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
76
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
77
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
78
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS
Kapacitní akcelerometr laterální kapacitní akcelerometr hřebenová struktura elektrod jedna skupina je pevná druhá se pohybuje podél podložky
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
79
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS
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 způsobí 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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
80
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
81
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
82
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
83
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
84
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
85
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
86
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
87
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
88
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník
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 Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
89
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
90
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
91
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
92
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
93
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
Elektrostatický princip podélný nebo příčný pohyb omezení pohybu symetrickým návrhem zpravidla více nosníků – hřebeny
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
94
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
94
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
Další možnosti pohybu nosníku elektromagnetický princip vytváří větší síly při větších vzdálenostech než elektrostatický nosníkem prochází proud ve smyčce (příp. oboustranně upevněný) 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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
95
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
Krokové posuvy scratch
inchworm piezoelektrický
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
96
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
97
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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“
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
98
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
99
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
100
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
Pasivní ventily
funkce některých může být omezena na několik cyklů povrchové napětí – dokud rozhraní neprojde přes ventil Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
101
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
102
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
103
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
104
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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.
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
105
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
106
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
107
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
NEMS zařízení s nanotrubičkami CNT jako nosník náhrada klasického nosníku velká mechanická odolnost
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
108
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
Pohybová NEMS zařízení s nanotrubičkami lineární pohyb jednotlivých stěn MWNT
realizace oscilátorů pohyb skoro bez tření
Aplikované nanotechnologie
MEMS, NEMS a molekulární stroje
109
Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy
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
MEMS, NEMS a molekulární stroje
110
Vybraná literatura Dostupné elektronicky: Springer Handbook of Nanotechnology Introduction to Nanoscale Science and Technology Ostatní: Husák, M.: Mikrosenzory a mikroaktuátory, Academia Dupas, C.; Houdy, P.; Lahmani, M.: Nanoscience, Springer Köhler, M.; Fritzsche, W.: Nanotechnology. An Introduction to Nanostructuring Techniques, Wiley Goser, K.; Glösekötter, 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
Aplikované nanotechnologie
111