FJFI Sylaby přednášek z Vybraných Kapitol z Nanomateriálů 2016 Blok E. Huliciuse (
[email protected]) (a badatelů z Fyzikálního ústavu AV ČR, Praha 6, Cukrovarnická 10; e-mail ostatních je: jmeno.přímení@fzu.cz Čtyřhodinové bloky. Letní semestr 2015/2016 (to jest od února 2016 do května 2016). Zkouška (hlavně podle kvality a prezentace semestrální práce a podle znalostí převážně z oborů přiléhajících k práci). Přednášející vypíše do zahájení semestru 1-3 témata ze svého oboru, ze kterých si studenti vyberou a zpracují je pod dohledem dotyčného přednašeče formou seminární práce (5-15 str./slidů) a přednesou svým kolegům během jedné či dvou posledních čtyřhodinovek a za to obdrží známku. Mělo by jít o aktuální "state of art" daného tématu (které by mělo jistým způsobem doplňovat příslušnou přednášku), zpracovaného tak, aby srozumitelně poskytl svým kolegům novou a zajímavou informaci. Zkouška předmětu Kapitoly z nanoelektroniky spočívá hlavně ve vypracování a přednesení a „obhájení“ seminární práce a případně ještě v zodpovězení otázek z bloku, ze kterého je tato seminární práce (pochybnosti učitele o známce, student ji chce lepší, ...).
Sedm čtyřhodinových bloků přednášek převážně pracovníků FZÚ AV ČR, v. v. i. z oborů ve kterých aktivně pracují: 1., 2. Technologie přípravy nanostruktur, heterostruktury z AIIIBV materiálů (kvantové jámy a tečky) - příprava, vlastnosti, aplikace Eduard Hulicius, prof., Ing., CSc. Epitaxni růst vrstev a struktur: Principy, fáze a typy růstu. Druhy epitaxí - epitaxe z pevné, kapalné a plynné fáze, jednotlivé varianty. Epitaxní růst z hlediska materiálového. Epitaxní techniky pro přípravu polovodičových nanostruktur: Základní metody jsou Epiataxe z molekulárních svazků (Molecular Beam Epitaxy - MBE) a Plynná epitaxe z organokovových sloučenin (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy - MOVPE). Podrobný popis obou technik, srovnání, rozdíly, omezení, aplikační oblasti, parametry vybraných hetero a nanostruktur. Stručná historie vývoje a aplikačních oborů obou technologií. Růst a vlastnosti kvantově rozměrových struktur: kvantové jámy (vrstvy) - QW, kvantové dráty - QWr, kvantové tečky - QD a kaskádové struktury. Charakterizační "in situ" techniky: Popis metod optických, strukturních, elektronových a ostatních. Uplatnění těchto metod při růstu heterostruktur a nanostruktur. Omezení daná použitím "při růstu".
V.A. Schuskin, N.N. Ledentsov, D. Bimberg, Epitaxy of Nanostructures, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2004, ISBN 3-540-67817-4 M.A. Herman, W. Richter, H. Sitter, Epitaxy, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2004, ISBN 3540-67821-
----------------------------------------------------3. Pokročilá charakterizace nanostruktur a povrchů na atomární úrovni pomocí rastrovacích mikroskopů (STM, AFM) Pavel Jelinek, Ing., Ph.D. Základní principy rastrovacích mikroskopů: Tunelovací efekt, balistický transport, síly na atomární úrovni, rastrovací tunelovací mikroskopie (STM), mikroskop atomárních sil (AFM), Kelvinovská mikroskopie (KFPM) Porkočilá charakterizace: Atomární manipulace, chemická identifikace, transport elektronu skrze jednu molekulu, chemické reakce na površích, magnetické rozlišení
E. Meyer, H.J. Hug and R. Bennewitz Scanning Probe Microscopy, Springer 2003 S.M. Lindsay, Introduction to Nanoscience, Oxford University Press, 2008 J.C. Cuevas, E. Scheer, Molecular Electronics, World Scientific, 2010 V. L. Mironov: Fundamentals of Scanning Probe Microscopy, The textbook for students of the senior courses of higher educational institutions, THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES INSTITUTE OF PHYSICS OF MICROSTRUCTURES, Nizhniy Novgorod, 2004, dostupné např. na webu.
4. Optické vlastnosti nanomateriálů Jiří Oswald, Ing., CSc. Optické vlastnosti polovodičových nanostruktur ve srovnání s 3D materiály. Kvantověrozměrový jev, hustoty stavů. Případ křemíku – specifikum polovodiče s nepřímým zakázaným pásem. Křemíková nanofotonika, optický zisk, cesty ke křemíkovému laseru. Elektro, foto a magnetoluminiscence polovodičových nanostruktur typu AIIIBV. Luminiscence kvantových jam I a II typu. Kvantové tečky InGaAs/GaAs. Příklady optických aplikací polovodičových nanostruktur. N. Peyghambarian, S.W. Koch, A. Mysyrowicz: Introduction to Semiconductor Optics, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 1993 S.V. Gaponenko: Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals, Cambridge University Press, Cambridge 1998 D. Bimberg, M. Grundmann, and N.N. Ledentsov: Quantum dots heterostructures, Wiley, Chichester 1999 M. Grundmann (Ed.): Nano-Optoelectronics, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2002 E.Smith, G. Dent: Modern Raman Spectroscopy – A Practical Approach. Wiley & Sons Ltd. UK, 2005
----------------------------------------5. Scintilátorové nanostruktury. Martin Nikl, doc. Ing., CSc. Interakce rtg. gama nebo částicového záření s dielektriky: fotoefekt, Comptonův rozptyl, tvorba párů. Princip scintilace: fáze konverze, transportu nosičů náboje a luminiscence. Základy technologie přípravy scintilačních a fosforových materiálů: objemové monokrystaly, optické keramiky, tenké vrstvy, nanomorfologické materiály. Nanoscintilátory – příklady, vlastnosti a aplikace. M. Nikl (invited review), Scintillation detectors for X-rays. Meas. Sci. Technol. 17, R37-R54 (2006). M. Nikl, A. Yoshikawa, (invited review) Recent R&D trends in inorganic single crystal scintillator materials for radiation detection. Adv. Opt. Mater. 3, 463–481 (2015) J. Bárta, V. Čuba, M. Pospíšil, V. Jarý, M. Nikl, Radiation-induced preparation of pure and Ce doped lutetium aluminium garnet and its luminescent properties. J. Mater. Chem. 22, 16590–16597 (2012).
6. Rizika nanotechnologií Pavel Rossner Jr., Ph.D. (
[email protected]) Rizika nanotechnologií: Mechanizmy pronikání nanočástic do organizmu a jejich následné působení. Způsoby zjišťování jejich působení na lidský organizmus (testy in vivo a in vitro), bezpečnost při výzkumu a výrobě nanomateriálů, ekologická ochrana a možné cesty jejich likvidace. Současný stav poznatků o toxickém riziku při práci s nejrozšířenějšími nanomateriály, kritický pohled na technologie používané k jejich výrobě; adaptace lidského organizmu a zkušenosti ze zahraničí. G. Oberdorster, aj., Nanotoxygology:An emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles,Environmental Health Perspectives, 2005, 113(7), s. 823-839. (v češtině: D. Nohavica, Respirační a kardiovaskulární problemy související s nanočásticemi, Mezinárodní conference NANOCON 2009, text přednášky je dostupný na adrese www.nanocon., (historie, sborník 2009).
---------------------------------7. Úvod do elektronového transportu v nanostrukturách
Jiří J. Mareš, RNDr., CSc. Fenomenologie transportu elektrického náboje: zobecněná Ohmova-Kirchhoffova relace. Elektron a vlnově-částicový dualismus: koherentní délka, termální délka, spin, Heisenbergova relace neurčitosti, tunelování, rozměrově-kvantový jev. Elektronový transport: aktivovaný transport, přeskoková vodivost, tunelování vibrující bariérou, transport balistickým kanálem, Aharonovův-Bohmův jev, slabá lokalizace, magnetické scvrkávání vlnové funkce elektronu, kvantový Hallův jev a elektrostatické stínění v nízkodimenzionálních strukturách, supravodivost v nanostrukturách. J.-M. Lévi-Leblond, F. Balibar: Quantics, Rudiments of Quantum Physics (North-Holland, Amsterdam,1990) S. Datta: Electronic transport in mesoscopic systems (Cambridge University Press, 1995) P. Y. Yu and M. Cardona: Fundamentals of Semiconductors (3rd Edition, Springer Verlag, Heidelberg, 2003)
8. Nanodiamanty a jejich optoelektronické vlastnosti Bohuslav Rezek, doc. RNDr., Ph.D. V přednášce se seznámíme s původem, podobou, vlastnostmi a možnými aplikacemi nanodiamantů. Diamantové nanočástice, označované jako nanodiamanty, představují relativně nový polovodičový nanomateriál s řadou unikátních vlastností využitelných od spintroniky po biomedicínu. Bude vysvětlena zásadní role elektrického potenciálu (náboje) nanodiamantů pro tyto aplikace, při použití v roztoku a na podložkách. Ukážeme, jakým způsobem měřit tento potenciál a správně ho interpretovat při zohlednění mikroskopických rozměrů a vlivu adsorbované vody na povrchu nanodiamantů. Soustředíme se zejména (ale nejen) na metodu Kelvinovské mikroskopie, která může poskytnout mnoho informací o strukturních, materiálových, chemických a elektrických vlastnostech nanodiamantů a jejich rozhraní s okolím. Ukážeme si příklady jevů v oblasti emise elektronů, emise světla a naopak uchování náboje a získávání energie (fotonapětí, fotoproud) na nanodiamantech. Uvidíme také, jak změny chemických skupin na povrchu nanodiamantů významně ovlivňují (a tím i umožňují do určité míry řídit) pozorované opto-elektronické jevy. 9.-10. a) Ramanova spektroskopie a její aplikace na nanostruktury, b) Ultrafast terahertz conductivity in nanoscales systems, c) Vlastnosti a aplikace dielektrik s nanoskopickým uspořádáním a) Ramanova spektroskopie a její aplikace na nanostruktury Ivan Gregora, Ing., CSc. Ramanův rozptyl v pevných látkách: Úvod do Ramanovy spektroskopie, fyzikální principy, výběrová pravidla, rezonanční efekty, instrumentace (Ramanova mikroskopie), prostorové rozlišení, mapování, speciální a kombinované techniky ... Aplikace na reálné materiály: Konečné krystaly, vliv vnějších polí, rozměrový efekt, lokalizace kmitů, mikro- a nanokrystalické látky, skla ... (příklady). a Ultrafast terahertz conductivity in nanoscales systems KUŽEL Petr, doc., RNDr., Dr Time-resolved terahertz spectroscopy utilizes ultrashort far infrared (typically 0.1–3 THz) pulses as a contact-free probe of ultrafast response of photoexcited samples. In semiconductor materials and structures the response is related namely to the charge carrier transport on 5–50 nm length scale, i.e. to the nanoscopic ultrafast photoconductivity. The measured photoconductivity spectra then depend namely on (1) interaction of carriers with nanostructure boundaries (localization of charge) and on (2) depolarization fields which strongly build up in any inhomogeneous conducting medium. Detailed analysis of spectra and theoretical simulations of the charge carrier motion allow one to determine the sample
morphology (characteristic size and connectivity of nanoparticles, degree of percolation of components whose conductive properties dominate, etc.) and the nanoscopic response function of mobile carriers in a given sample with sub-picosecond time resolution. In this lecture we will first provide an introduction to the terahertz range of electromagnetic radiation, to the time domain terahertz spectroscopy and namely to the so called optical pump - THz probe time-resolved experiments. Next we will identify the relevant quantities which are experimentally accessible by this technique and we will develop a general microscopic description of the terahertz photoconductivity. This approach then will be used to interpret transient THz transmission spectra in some particular systems (various Si nanocrystals, TiO2 nanocrystalline networks with complex percolation pathways etc). The microscopic picture one can obtain by means of this technique strongly contributes to the fundamental understanding of charge carrier transport in nanosystems. a c) Vlastnosti a aplikace dielektrik s nanoskopickým uspořádáním Stanislav Kamba, RNDr., CSc. Fyzika feroelektrických fázových přechodů: Definice feroelektrik a permitivity, typy strukturních fázových přechodů, dynamika fázových přechodů, měkký mód. Použití feroelektrik: stálé paměti FeRAM, miniaturizace kondenzátorů, piezoelektrické aplikace. Relaxační feroelektrika: Definice, polární nanoklastry, vysvětlení dielektrických anomálií a obrovské piezoelektřiny. Magnetoelektrická multiferoika: Magnetoelektrická vazba, elektromagnóny, použití ve spintronice a ve stálých pamětech. Nanokompozity: Teorie středního pole, efektivní permitivita, výpočet dielektrického tenzoru v nanoklastrech. J. Petzelt, S. Kamba, and J. Hlinka, Ferroelectric soft modes in ceramics and films, chapter in the book New developments in advanced functional ceramics. Ed. L. Mitoseriu, Indian Series of Appl. Phys., Transworld Research Network 37/661, Trivandrum,.Kerala, India, p. 387-421, (2007). R. Waser, Nanoelectronics and information technology, Wiley-VCH, 2003, str. 31-78, 527-590 K.F. Wang et al. Multiferroicity: the coupling between magnetic and polarization order, Advances in Physics, 58, 321-448 (2009)
----------------------------------------11.-12. Vybrané příklady materiálů - příprava, vlastnosti, aplikace: a) Grafen a 2D materiály Jiří Červenka, Ing. Ph.D. Alotropické formy uhlíku – grafen, grafit, uhlíkové trubičky, fullereny, diamant, amorfní uhlík a jiné. Základní vlastnosti, příprava a aplikace grafenu – metody přípravy, popis elektronové struktury v grafenu, elektrický transport, interakce se světlem a mechanické vlastnosti, využití v elektronice, optice a medicínských aplikacích. 2D materiály a jejich vlastnosti – jednovrstvé atomárně tlusté materiály jako hexagonální nitrid boritý, dichalkogenidy, germanen, silicen a jiné. [1] K. S. Novoselov, V. I. Fal′ko, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, K. Kim, A roadmap for graphene, Nature 490, 192–200 (2012), DOI:10.1038/nature11458. [2] A. C. Ferrari et al., Science and technology roadmap for graphene, related twodimensional crystals, and hybrid systems, Nanoscale 7, 4598-4810 (2015), DOI: 10.1039/C4NR01600A a b) Diamantové a nanodiantové tenké vrstvy pro optiku, biosensory a MEMS Alexandr Kromka, Dr.
Depozice diamantových a nanodiamantových vrstev metodou depozice z plynné fáze v mikrovlnném výboji. Nanodiamantové tenké vrstvy a samonosné membrány, jejich strukturní, optické mechanické a fotoelektrické vlastnosti. Nové součástky využívající unikátní vlastnosti nanodiamantových vrstev a membrán. a c) Polovodičové nitridové nanostruktury Alice Hospodková, Ing. Ph.D. Nitridové polovodiče jako další kostka do fyzikální stavebnice sloučeninových polovodičů. Vlastnosti nitridových polovodičů (krystalová mříž, pásová struktura, piezoelektrická a spontánní polarizace, saturační rychlost elektronů, vazebná energie excitonů) a jejich důsledky pro aplikace nitridových heterostruktur. Technologické zvláštnosti a problémy. Proč bylo tak složité připravit modrou emisní diodu (Nobelova cena za fyziku v roce 2014). Hadis Morkoc, Nitride Semiconductor Devices, Fundaments and Applications, VILEY-VCH Verlag GmbH, 2013, ISBN: 978-3-527-41101-6
-----------------------------------13. Spinotronika Tomáš Jungwirth, Prof., Ph.D. Příklady využití: magnetické senzory, magnetické operační paměti. Základní prvky: spintronický odpor a dioda. Fyzikální principy: komunikace mezi nábojem a spinem elektronu, feromagnetismus jako kolektivní kvantový jev (jemný úvod), spin-orbitální interakce jako relativistický kvantový jev (jemný úvod). Ukázky současného výzkumu: feromagnetické polovodičové materiály a nanostruktury, spintronický jednoelektronový transistor, manipulace s elektronovým spinem v obyčejných polovodičích. 14. Advanced nanoarchitecture of iron and iron oxide based materials for environmental, catalytic and biomedical applications Radek Zbořil, prof. RNDr., Ph.D. (
[email protected]) Iron and its compounds show a huge potential in various nanotechnologies owing to their low-cost, biocompatibility, non-toxicity, biodegradability, and environmentally friendly character. The broad scale of accessible valence states (0, II, III, IV, V, VI) and polymorphism of iron(III) oxide [1] contribute to the miscellaneous chemistry and quite unique portfolio of applications of Fe-bearing nanomaterials. In particular, nanoscale zero valent iron (nZVI, Fe0) is viewed as an environmentally friendly tool for in-situ reductive treatment of ground water and surface water contaminated by, e.g., chlorinated hydrocarbons, uranium, heavy metals, or cyanobacteria [e.g., 2,3]. In the talk, selected results of surface nanoarchitecture and remediation with nZVI will be discussed. Nanocrystalline iron (II,III) oxides in various structural forms have been found promising materials in biomedicine, biotechnologies, catalysis, photocatalysis of water or many magnetism-based applications. [4-6] The last part will be devoted to various multifunctional hybrids of iron/iron oxides with carbon nanostructures (graphene, mesoporous carbon, carbon dots) and nanosilver with an emphasis on their applications in advanced water treatment technologies, antimicrobial treatment, heterogeneous catalysis and biomedicine [e.g., 7-9]. 1) L. Machala, J. Tucek, and R. Zboril*, "Polymorphous Transformations of Nanometric Iron(III) Oxide: A Review,"CHEMISTRY OF MATERIALS, vol. 23, iss. 14, pp. 3255-3272, 2011.
2) J. Filip, F. Karlicky, Z. Marušák, P. Lazar, M. Cernik, M. Otyepka, and R. Zboril*, "Anaerobic Reaction of Nanoscale Zerovalent Iron with Water: Mechanism and Kinetics," THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C, vol. 118, iss. 25, pp 13817–13825, 2014. 3) B. Marsalek, D. Jancula, E. Marsalkova, M. Mashlan, K. Safarova, J. Tucek, and R. Zboril*, “Multimodal Action and Selective Toxicity of Zerovalent Iron Nanoparticles against Cyanobacteria,” ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY, vol. 46, iss. 4, pp. 2316-2323, 2012. 4) D. Maity, G. Zoppellaro, V. Sedenkova, J. Tucek, K. Safarova, K. Polakova, K. Tomankova, C. Diwoky, R. Stollberger, L. Machala, and R. Zboril*, “Surface design of core-shell superparamagnetic iron oxide nanoparticles drives record relaxivity values in functional MRI contrast agents,” CHEMICAL COMMUNICATIONS, vol. 48, pp. 11398-11400, 2012. 5) K. Sivula, R. Zboril, F. Le Formal, R. Robert, A. Weidenkaff, J. Tucek, J. Frydrych, and M. Graetzel, “Photoelectrochemical Water Splitting with Mesoporous Hematite Prepared by a SolutionBased Colloidal Approach,” JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, vol. 132, iss. 21, pp. 7436-7444, 2010. 6) R. Prucek, J. Tuček, J. Kolařík, J. Filip, Z. Marušák, V. K. Sharma, and R. Zboril*, “Ferrate(VI)Induced Arsenite and Arsenate Removal by In Situ Structural Incorporation into Magnetic Iron(III) Oxide Nanoparticles,” Environmental Science & Technology, 2013. 7) R. Prucek, J. Tucek, M. Kilianova, A. Panacek, L. Kvitek, J. Filip, M. Kolar, K. Tomankova, and R. Zboril*, “The targeted antibacterial and antifungal properties of magnetic nanocomposite of iron oxide and silver nanoparticles,” BIOMATERIALS, vol. 32, iss. 21, pp. 4704-4713, 2011. 8) V. Ranc, Z. Markova, M. Hajduch, R. Prucek, L. Kvitek, J. Kaslik, K. Safarova, and R. Zboril*, "Magnetically Assisted Surface-Enhanced Raman Scattering Selective Determination of Dopamine in an Artificial Cerebrospinal Fluid and a Mouse Striatum Using Fe3O4/Ag Nanocomposite," ANALYTICAL CHEMISTRY, vol. 86, pp. 2939-2946, 2014. 9) J. Tucek, K. G. Kemp, K. S. Kim, and R. Zboril*, „Iron-Oxide-Supported Nanocarbon in LithiumIon Batteries, Medical, Catalytic, and Environmental Applications“ ACS NANO, vol. 8, iss. 8, pp. 7571–7612, 2014.