Cesty k nanostrukturám a nanotechnologiím
Presentace chce ukázat některé poznatky, myšlenky a názory v oblasti nanočástic a nanostruktur a v tomto smyslu obrátit Vaši pozornost na velký potenciální význam
nanotechnologií a nanomaterialů . Presentace je zaměřena na: -vysvětlení konstrukce a tvorby nanostruktur, -chování a fyzikální vlastnosti nanostruktur -ukázku možného praktického využití.
Anton Fojtik
*Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Czech Republic *
[email protected]
Nebudu se zabývat teoretickými výpočty a vynechám komplikované matematické odvozování, které je však možné nalézt v našich a příbuzných publikacích a článcích. To ponechám laskavé pozornosti těch, kteří budou mít hlubší zájem.
CO JSOU TO NANOSTRUKTURY ?
CO JSOU TO NANOTECHNOLOGIE?
Nanostruktury jsou
Nanotechnologie -
1-,2- 3- dimenzionálně vymezené prostorové (nanorozměrové) útvary, vyplněné nebo obklopené hmotou, které mají unikátní vlastnosti, takové které se u makrolátky nevyskytují.
to jsou cesty přípravy a „engineering“ těchto útvarů a manipulace s nimi k vytváření nanomaterialů cílených vlastností pro praktické aplikace
CO JSOU TO NANOMATERIALY?
Nanotechnologie je interdisciplinární vědecká oblast, která se zabývá stavbou a inženýrstvím molekulárních objektů hmoty (nanomaterialů) pro využití jejich unikátních vlastností ve výzkumu a praxi, např.: 1) využití optických, elektrických a magnetických vlastností
Nanomaterialy jsou výsledkem cílené manipulace s nanostrukturami
Příklady: aktivní mřížka s koeficientem zesílení světla větším něž 1, optické vlákna,magnetické částice, mag.kapaliny
2) použití jako zdroje optického záření Příklad: svítící Si-LED struktury,vláknové lasery
3) zázman informací Příklad: světlem řízený přenos náboje – záznam informací na molekulární úrovni, počítačové čipy na molekulání úrovni
4) interakci s jinými strukturami a soubory molekul (org. i anorganických.) Příklad: čidla a detektory (schottkyho dioda) pro detekci plynů a virů
5) využití v medicíně a biologii Příklad: el.mag.ventil pro nekrofilizaci tumorů, vychytávaní HIV virů in vitro, dopravníky a nosiče léků v biolog.systémech
6) použití nových nanomaterialů Příklad: nanokompozity,nanokeramika,nanovlákna
7) nanostroje, nanopřítroje a mnohé další aplikace. Rozměry jsou řádově v nanometrech až mikrometrech, mají individualní charakter a jsou významné svou konstrukcí a funkcí. V současné době je u nás trend nástupu nanotechnologické
revoluce.
1
nanočástice a nanostruktury mají společný fenomén:
V pohledu na látku v malých dimenzích ,v extrémním zětšení,je vidět statistická a energetická nerovnovážnost hmoty (struktury). V těchto rozměrech (několika nanometrů) je jěště spousta místa na konstrukci malých 1,2,3 – dimenzionálně ohraničených molekulárnich útvarů t.j.nanočástic a nanostruktur. Z této restrikce prostoru vyplývají unikátní vlastnosti,které makrolátka nezná.
unikátní fyzikální a chemické vlastnosti, které jsou rozdílné od makrolátky a jsou hlavně takové, které se v makrosvětě nevyskytují. Železo – Fe – rozpustné, žluté. CdAs – polovodič - červený až žlutý, svítí (luminiscence), rozpustný. Uhlík – červený, rozpustný. Si – plovodič - svítí (luminiscene), rozpustný v org. kap., bl. žlutý a pod. Nebývalé optické, elektrické a magnetické vlastnosti!!! Nanovlákna (např uhlíkové) s makorolátkou vytvářejí nanokompozity s unikátními super-vlastnostmi (např.váhou 14x lehčí než ocel a s 10x větší pevností)
Unikátní vlastnosti vyplývají z jejich fyzikální podstaty a ta je dána jejich rozměrovým vymezením – jinými slovy – prostorem, ve kterem vznikají.
Nano-prostor v kterém částice a struktury vznikají může byt ohraničen v jednom, ve dvou nebo ve všech třech směrech (x,y,z) . Mluvíme tedy o rozměrové lokalizaci (1D,2D,3D). Konstrukce nanočástic může se tedy rozvíjet buď ve všech třech dimenzích (x,y,z ), ve dvěch v jedné nebo v nulové t.j. žádné - jeji konstrukce ukončená ve všech třech směrech. Mluvíme zde o rozměrové delokalizaci (3D,2D,1D).
Metody přípravy a manipulace s malými objekty nebo atomy se rozumějí jako nanotechnologie.
FYZIKÁLNÍ PODSTATA VLASTNOSTÍ NANOSTRUKTUR
Elektronické struktury
Fotonické Fotonické stru struktury
MANIFESTACE UNIKÁTNÍCH VLASTNOSTÍ Luminescence of nanoparticles
Luminescence of nanoparticles
Cd3 As2 in aqueous solutions in UV light
ZnO in propanol-2 sol. in UV light
MANIFESTACE UNIKÁTNÍCH VLASTNOSTÍ
Increasing particles size from left to right
Weller H., Fojtik A., Henglein A.: Photochemistry of Semiconductor Colloids:Properties of Extremely Small particles of Cd3P2 and Zn3P2. Chem.Phys.LettVoI.117, No.5 (June 1985) p.485
2
MANIFESTACE UNIKÁTNÍCH VLASTNOSTÍ
UKÁZKA SYNTETICKÝCH NANOSTRUKTUR
Regulátor pro molekulární montáž
Jednoduché selektivní čerpadlo Neonu
Planetární molekulová převodovka (nová verze)
UKÁZKA SYNTETICKÝCH NANOSTRUKTUR
Planetární molekulová převodovka (starší verze)
Molekulová rozdílová převodovka
Diamantové ložisko
UKÁZKA PŘIROZENÝCH NANOSTRUKTUR
Fotorefraktivní polymerové kompozity Bakteriorodopsin jako chromofor
UKÁZKA PŘIROZENÝCH NANOSTRUKTUR
motivace: model lidského oka
UKÁZKA PŘIROZENÝCH NANOSTRUKTUR
Kvantové tečky Carbonnanotubes Fullerene C-70
Fullerne-beardmore
Fullerene C-60
Fullerene C-60
3
Ukázky nanotechnologických aplikací 1) Může nanotechnologie přispět k řešení současných problémů IO (in (inttegrovaných obvodů) obvodů) a pomoci s jejich budoucími aplikacemi?
2) Jaké jsou v současné době hlavní problémy v oblasti rozvoje počítačové techniky,konstrukce výkonných či čipů a integrovaných obvodů?
Počet tranzistorů v „čipu“
Délka elekrických vodičů (m/cm2)
Moorův Moorův zákon
Rok výroby Year
Řešení je jednoduché.
Nahradit elektrické spoje optickými spoji koherentního světla. Tepelná ztráta (W/cm2)
Implementovat do struktury IO laser. Když je problém tak jednoduchý,proč se to už nerealizovalo..??
Může Si laser vyřešit problémy? (může, ale…..)
Si a Ge mají nepřímy „band gap“ – netvoří laserové struktury! Není možné vytvořit laser!!!! Důvod: nesymetrie
Velikost mikro-elektronických komponentů
prostoru!!!
A jiné polovodiče nelze použít z důvodu Si-CMOS technologie Si Raman laser není také řešení,nemá Si CMOS technologii. Existuje řešení???
4
PŘÍPRAVA SVÍTICÍHO KŘEMÍKU.
Pomůže silikonová nanotechnologie?? Existuje idea: Prostorovou restrikci „uříznout bod nesymetrie“ a tím podmínit přímý „band gap“. Si by měl laserovat
Udělají se velké částice křemíku. Na povrchu se oxidují na vrstvu SiO2. Vrstva SiO2 se rozpustí v kyseline HF. Zmenšená částice se opět pomalu oxiduje. Oxid SiO2 se opět rozpouští. Tento proces se opakuje a kontroluje dokud Si částice nezačnou svítit. Toť vše !!!!
Fojtik A.,Giersig M.,Henglein A.: Formation of Nanaometer-Size Silicon particles in a Laser Induced Plasma i SiH4. Ber.Buns.Phys.Chem. Vo1.97,No.11 (1993)p.1493 Fojtik A.,Henglein A.: Luminiscent Colloidal Silicon Particles. Chem.Phys.Letters 221 (1994)p.363 FojtikA.,HengleinA.: Luminescece of Colloidal Silicon Suspendions: Quantum Yield,Quenching,and Surface Phenomena J.Phys.Chem. B, Vo.110,No 5,2006, p.1994-1998
Příprava křemíkových nanočástic
Příklad LED struktury s použitím Si nanokrystalů
Example of LED Structure Using Si NanoCrystals
Chemické leptání
~ 10 nm výchozí velikost
Velikosti nanočástic
Fotoluminiscence nanočástic Si v roztoku cyklohexanu
~3 nm
Rectification factor was abaut five ordes at 7V
~1 nm
Uká Ukázky záznamu EL a PL spekter
Uchovávání optoelektrických a elektrooptických informací.
Gorner H.,Fojtik A.,Wroblewski J.,Currell L.J.: Singlet Mechanism for Trans-Cis Photoisomerization of Quartery Salts of 4-Substituted 4'-Azastilbenes (R=CN, H, CH3 and OCH3) and their Quinolinium Analogues. Z.Naturforsch. 40a, 525 (1985)
5
Fotorefraktivní polymerové kompozity
LOGICKÉ OBVODY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI
Studium těchto materiálů je motivováno aplikacemi Holografická paměť
Optické zpracování obrazu
Pyrazolin
Antracen-derivat
Antracen-derivat
Nanohydraulic-piston-large
NANOSTRUKTURY JAKO
DETEKTORY ČISTOTY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ DETEKCE: nežádoucích plynů, virů, částic a zářenízáření- čistota životního prostředí Pd-InP-Schottky-Sensor
NANOTRUBICE NANOVLÁKNA NANOKOMPOZITY Nanotubes-multiwall-largeb
Optické nelineární vlastnosti nanočástic.
NANOSTRUKTURY VYZBROJENÉ PRO BOJ S VIRY
Když byly publikovany naše první práce o měření polarizace excitonů a jeho důsledcích, dále práce o možnosti uložení několika elektronů na nanočástici a měření následných efektů, pak přátelé s TU-Göttingen meřili na našich materiálech nelineání efekty. Na mřížkách dochází k odrazu a zesílení o 20-30 procent. U nekoherentního záření.
6
NANOSTRUKTURY VYZBROJENÉ PRO BOJ S VIRY
UKÁZKY NANOSTRUKTUR A BOJOVNÍKY Z VIRY
Thank you for your attention
7
