Oponenti: RNDr. Aleš Hendrych, Ph.D. RNDr. Jiří Tuček, Ph.D.
Publikace byla vytvořena v rámci projektu Otevřená síť partnerství na bázi aplikované fyziky, reg. č. CZ. 1.07/2.4.00/17. 0014 1. vydání © Roman Kubínek, Milan Vůjtek, 2014 © Univerzita Palackého v Olomouci, 2014 Neoprávněné užití tohoto díla je porušením autorských práv a může zakládat občanskoprávní, správněprávní, popř. trestněprávní odpovědnost. ISBN 978‐80‐244‐4008‐8
Obsah 1
Nanotechnologie a jejich aplikace v elektronice ..........................................4 1.1 Počátky nanotechnologií ..............................................................................4 1.2 Vymezení pojmů „nano“ .................................................................................6 1.3 Členění nanotechnologií ................................................................................8 1.4 Nanotechnologie – tajemství přírody .................................................... 10 1.5 Historické aspekty „nanotechnologií“ ................................................... 15 1.6 Nanostruktury z pohledu kvantové fyziky .......................................... 16 2 Příklady nanostruktur a jejich aplikace v nanotechnologiích ............. 22 2.1 Nanočástice, nanovrstvy ............................................................................. 22 2.2 Uhlíkové nanostruktury .............................................................................. 24 2.3 Mikroelektronika a nanoelektronika ..................................................... 27 2.3.1 Mikroelektronika .................................................................................. 28 2.3.2 Nanoelektronika .................................................................................... 34 2.4 Bionanotechnologie ‐ nanomedicína ..................................................... 51 2.5 Nanotextilie ...................................................................................................... 54 3 Budoucnost nanotechnologií ............................................................................ 57 4 Závěr ............................................................................................................................ 59
3
1 Nanotechnologie a jejich aplikace v elektronice Ještě v polovině minulého století byly nanotechnologie neznámým oborem. Technologický rozvoj v posledních asi 30 letech umožnil rozšířit fyzikální výzkum do oblastí velmi malých rozměrů. Tím se stala vysoce aktuální oblast nanotechnologií, která pracuje s nanostrukturami, tj. strukturami o rozměrech přibližně v intervalu od 1 nm do 100 nm. Oblast nanosvěta leží právě mezi světem elementárních částic, atomů a molekul, popisovaným kvantovou fyzikou, a reálným světem, který popisuje klasická fyzika a který vnímáme bezprostředně našimi smysly. Je velmi zajímavá tím, že se zde objevují nové, neobyčejné vlastnosti hmoty. Cílem tohoto populárně naučného textu je naučit se orientovat v celé řadě pojmů s předponou „nano“. Nahlédneme do historie, kde se s nanoobjekty pracovalo, aniž je kdo pojmenoval, ukážeme, jaká je příčina „jiných“ fyzikálních a chemických vlastností nanoobjektů a uvedeme praktické dopady nanotechnologií pro náš každodenní život, zejména se zaměřením na elektroniku. 1.1 Počátky nanotechnologií Jedním z prvních průkopníků této vědní disciplíny byl americký vědec a nositel Nobelovy ceny za fyziku Richard Phillips Feynman. Ve své přednášce There's Plenty of Room at the Bottom (volně přeloženo „Tam dole je spousta místa“) v roce 1959 [1] položil řečnickou otázku: „Proč ještě neumíme zapsat všech dvacet čtyři svazků Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou hlavičku?“ V přednášce
4
zmínil i možnost manipulace s molekulami a atomy. Tehdy nazýval tento obor mikrotechnologií. Tenkrát byl možná považován za snílka, dnes je na jeho počest každoročně udělována Feynmanova cena za přínos v oboru nanotechnologií. Termín nanotechnologie se objevil až v roce 1974. Japonský fyzik N. Taniguchi jím označil novou měřicí metodu, která umožňovala výrobu součástek s přesností na nanometry [2]. V 70. letech na tyto myšlenky navázal americký fyzik K. E. Drexler. Ve svém článku o molekulárním inženýrství navrhl využít proteiny jako základní stavební kameny [3]. Současně upozornil na pozitivní i negativní stránky molekulárních nanotechnologií. Ve své knize „Stroje stvoření – nástup éry nanotechnologie“ z roku 1986 popisuje svět miniaturních systémů (nanorobotů), které by se chovaly podobně jako živé organizmy, měly by schopnost reprodukce, vzájemné komunikace a sebezdokonalování [4]. V druhé polovině 20. století probíhaly výzkumy orientované na poznávání vlastností základních stavebních prvků hmoty a jevů projevujících se na atomové a molekulární úrovni. Hlavní zájem byl tedy orientován na poznání způsobů, jakými příroda vytváří rozmanité struktury. K tomu přispěl jeden z nejvýznamnějších objevů 80. let, který umožnil pozorování a manipulaci s atomy a molekulami – sestavení skenovacího tunelovacího mikroskopu (STM – Scanning Tunneling Microscope) a mikroskopu atomárních sil (AFM – Atomic Force Microscope) [5]. Pokrok šel stále více dopředu, od výroby čipů velké integrace s rozměry struktur menšími než 100 nm, přes obrábění povrchů s přesností na nanometry, až po využití
5
nanostruktur v medicíně a biotechnologiích. A tak se zrodil nový interdisciplinární obor – nanotechnologie. 1.2 Vymezení pojmů „nano“ Význam předpony „nano“ je odvozen z řeckého slova nannos – trpaslík. Vědci a techniky je ovšem používána pro označení předpony 10‐9 násobku fyzikální jednotky. V rozměrech nanometrů udáváme například vlnové délky (viditelná oblast elektromagnetického záření je např. v rozsahu 380 až 780 nm), velikost většiny virů (okolo 100 nm), průměr jedné molekuly šroubovice DNA (2–12 nm), tloušťku vrstvy olejových skvrn (asi 50 nm), na níž světlo vyvolává barevné spektrum atd. Nanosvět vyplňuje oblast mezi současným reálným světem a světem atomů. Je tvořen částicemi a strukturami o rozměrech přibližně od jednoho do sta nanometrů, které se neustále pohybují a vibrují. Kdybychom tedy zkoumali v nanosvětě věci pro nás stabilní (deska stolu), zjistili bychom, že se pohybují. Nanověda a nanotechnologie Nanověda a nanotechnologie nejsou nové obory, ale spíše disciplíny soustřeďující znalosti z fyziky, kvantové mechaniky, chemie, biologie, elektroniky, apod. Jejich jediná všeobecná definice doposud neexistuje, a proto se můžeme v různých literaturách setkat s její různou formou (V některých materiálech bývají pojmy nanověda a nanotechnologie odděleny, v jiných bývá definice nanovědy
6
zahrnuta pod pojmem nanotechnologie, v dalších je nanotechnologie definovaná ještě jinak). Zde jsou některé z definic. Nanotechnologie je: -
vědní obor, který se zabývá přesnou a záměrnou manipulací hmoty na úrovni atomů,
-
výzkum a technologický vývoj na atomové, molekulární nebo makromolekulární úrovni, v rozměrové škále přibližně 1 až 100 nm. Je to též vytváření a používání struktur, zařízení a systémů, které mají v důsledku svých malých nebo intermediálních rozměrů nové vlastnosti a funkce. Je to rovněž dovednost manipulovat s objekty na atomové úrovni,
-
aplikace mikroelektroniky na výrobu struktur nanometrických rozměrů,
-
je aplikací nanovědy při vytváření užitečných materiálů, struktur a zařízení.
Shrneme‐li předchozí definice, můžeme nanotechnologie považovat za obor, který díky manipulaci s atomy a molekulami a díky výzkumu jejich vlastností, vytváří nové struktury a materiály, které budou mít v budoucnu stále větší vliv na život každého z nás. Nanostruktury Nanostruktury jsou definovány jako jedno‐, dvou‐ nebo třírozměrné struktury s nejméně jedním rozměrem pod 100 nm. Jsou tedy dostatečně malé na to, aby se u nich projevily kvantové
7
vlastnosti. Znamená to, že na jejich popis si již nevystačíme s klasickou fyzikou, kterou známe ze školy, ale je třeba použít fyzikální a matematický aparát tzv. kvantové fyziky. Mezi nejznámější nanostruktury patří fullereny, nanotrubice, grafeny a kvantové tečky. Nanomateriály Nanomateriály jsou materiály, jejichž základními stavebními prvky
jsou
nanostruktury.
Vznikají
cílenou
manipulací
s nanostrukturami a jejich vlastnosti vyplývají z rozměrů stavebních prvků. Díky velmi rozsáhlé oblasti použití např. v lékařství, nanoelektronice (fotočlánky, palivové články, vysokokapacitní baterie) bývají nazývány materiály 3. tisíciletí.
1.3 Členění nanotechnologií V současné době se dělí nanotechnologie do osmi hlavních oblastí [6]: I. Nanomateriály: nanoprášky, nanočástice, kompozitní materiály obsahující nanočástice, materiály s uhlíkovými trubicemi nebo fullereny, tenké vrstvy, nanostrukturní kovy a slitiny, nanokeramika, polymerní nanokompozity, polymerní nanomateriály. II. Nanotechnologie pro ukládání a přenos informací, nanoelektronika: nanoelektronika, materiály a zařízení, optoelektronika (nanofotonika),
8
optické materiály a zařízení, magnetické materiály a zařízení, (spintronika), organická fotonika. III. Nanobiotechnologie, nanomedicína: zapouzdřování léků, cílená doprava léků, tkáňové inženýrství, biokompatibilní materiály a vrstvy, molekulární analýza, analýza DNA, biologicko‐anorganické rozhraní a hybridy, diagnostika, molekulární rozpoznávání. IV. Nanotechnologie pro aplikaci v senzorech: senzory využívající nanomateriály, biomolekulární senzory. V. Nanotechnologie pro (elektro) chemické technologie zpracování: filtrace, katalýza nebo elektrody s nanostrukturovanými povrchy, chemická syntéza, supramolekulární chemie. VI. Dlouhodobý výzkum s širokou aplikací: samosestavování (self‐assembly), kvantová fyzika, kvantové jevy v nanorozměrech, nano a mezoskopické systémy, chemické materiály, nanochemie, ultra‐přesné inženýrství. VII. Přístroje a zařízení, výzkum a aplikace technologií: analytické přístroje, metody techniky a zkoumání,
9
výroba prášků (nanočástic) a jejich zpracování, zařízení a metody pro vytváření objektů (patterning, vytváření vláken apod.), ultra‐přesné obrábění, nanometrologie. VIII. Zdravotní, ekologické a sociální aspekty nanotechnologie: toxicita nanočástic, ekologické aspekty, sociální a etické aspekty, standardizace, patentování, prognózy, popularizace nanotechnologie, obchod s nanovýrobky. 1.4 Nanotechnologie – tajemství přírody Nanostruktury, tzn. svět částic a struktur o rozměrech mezi 1 nm až 100 nm, považujeme za základní stavební jednotky nanomateriálů. Hranice nanovědy, která se zabývá zkoumáním jejich vlastností, se však nedá zcela přesně vymezit. Zahrnuje oblasti fyziky pevných látek, chemie, inženýrství i molekulární biologie. Nanotechnologie jsme si již v předchozí části definovali jako interdisciplinární a průřezové technologie, zabývající se praktickým využitím nových a neobvyklých vlastností nanomateriálů pro konstrukci nových struktur, materiálů a zařízení. Zatímco lidé objevili svět nanotechnologií zhruba v polovině 20. století, příroda toto tajemství zná a používá již celá tisíciletí při
10
tvorbě živé i neživé přírody. Většina životních procesů probíhá v nanorozměrech. Celá řada biologických materiálů a objektů může být zařazena mezi nanočástice. Jsou to například viry (10–200 nm) či bílkoviny (5–50 nm). Základními stavebními prvky proteinů je 20 aminokyselin s rozměry 0,6 nm. Při vytváření proteinů jsou aminokyseliny vázány do dlouhých polypeptidických řetězců, tvořících jakési „nanodrátky“. Příkladem může být dvojitá šroubovice DNA, která tvoří genetický materiál, a která je stočena do chromozomu o velikosti cca 5 m, přičemž průměr šroubovice je jen 2 nm.
Obr. 1 Struktura vlasu [7]
Příroda své struktury a funkční systémy konstruuje hierarchicky. Příkladem takové struktury může být šlacha. Funkcí šlachy je přichytit sval ke kosti. Základním stavebním kamenem šlachy je seskupení aminokyselin (0,6 nm), které tvoří kolagen (1 nm), jenž se stáčí do trojité šroubovice (2 nm). Pak následuje sekvence fibrilárních (vláknitých) nanostruktur – mikrofibrila (3,5 nm), subfibrila (10 až
11
20 nm) a samotná fibrila (50–500 nm). Poslední dvě konečné struktury představují svazek vláken zvaný fascikula (50–300 m). Samotná šlacha může mít rozměr od 10 do 50 cm. Další přírodou využívanou nanotechnologií je biomineralizace. Příkladem jsou tzv. biogenní magnetické nanočástice. V roce 1975 objevil Richard Blakemore magnetotaktické bakterie, které si vytvářejí sférické krystality magnetitu (Fe3O4) o rozměru asi 50 nm (obr. 2). Řetízky těchto krystalických částic, zvané magnetosomy, slouží jako jednoduché střelky kompasu, které pasivně zkrucují buňky bakterie tak, aby byly vyrovnávány souběžně se zemským magnetickým polem, a bakterie tak mohla snáze najít své nejpřirozenější prostředí – zónu na rozhraní kalu a vody. Tyto bakterie „plavou“ na severní polokouli vždy k severnímu magnetickému pólu a na jižní polokouli k jižnímu magnetickému pólu.
Obr. 2 Magnetotaktická bakterie na snímku z transmisního elektronového mikroskopu (Jeol 2010)
12
Předností struktur ve velikosti nanometrů využívají např. i někteří živočichové. Za všechny si zmiňme alespoň měkkýše Haliotis tuberculata (ušeň mořská), který používá nanotechnologie ke konstrukci velmi pevné skořápky (obr. 3), chránící ho před zobáky i zuby nepřátel. Provádí to tak, že uspořádává CaCO3 (křídu) do nanostrukturních bloků. Trhliny, vznikající při případném poškození svrchní vrstvy skořápky, se jen těžko rozšiřují do vnitřních vrstev, protože se překonáváním bloků klikatí, a energie potřebná k lomu skořápky se rozptyluje. Samotné nanobloky však nestačí. Významnou roli hraje i pružný sliz z uhlohydrátů a proteinů, snažící se zabránit jejich vzájemnému oddalování vlivem růstu trhliny. Výsledkem je liliputánská konstrukce s obrovskou pevností měnící měkkou křídu na tvrdou skořápku, která se stala inspirací pro pozdější zkoumání změn vlastností materiálů pomocí vytváření nanostruktur.
Obr. 3 Skořápka ušně mořské (www.biolib.cz)
Z těchto několika příkladů vyplývá, že se příroda stává pro vědu nesmírně bohatým zdrojem inspirace, a ta proto soustřeďuje svůj zájem na vytváření struktur podobných vlastností, které se pak snaží uplatnit ve všedním životě.
13
Listy lotosového listu zůstávají čisté a suché i přes neustálé vystavování prachu, špíně, dešti a dalším vlivům. Tajemství lotosového květu je ukryto v povrchu jeho listů (obr. 4). Tenké hrbolky vysoké řádově v nanometrech, pokrývají povrch listu a chrání ho před vodou a usazováním nečistot. Současní vědci si vzali příklad z této schopnosti a vytvořili tak s pomocí nanotechnologií povrchy, které jsou voděodolné a mají samočistící vlastnosti (obr. 5).
Obr. 4 Kapky vody na lotosovém listu a detail jeho povrchu pod elektronovým mikroskopem (http://www.osel.cz/_popisky/111_/1113366388.jpg)
Obr. 5 Kapka vody pokrytá nečistotami splavenými z povrchu s nanostrukturovanou vrstvou (http://www.chempoint.cz/data/imgs/00761l.png)
14
1.5 Historické aspekty „nanotechnologií“ Nanotechnologie mají široké spektrum využití. Obecně se dá říci, že se týkají všeho, co je kolem nás. Nanotechnologie sice patří k novým vědním disciplínám, ale některé její metody uměl člověk používat již mnohem dříve, aniž by si je uvědomoval. Již ve starém Egyptě se můžeme setkat s barvením vlasů nanočásticemi PbS, pomocí kterých bylo dosahováno dlouhodobě stálého černého zabarvení. Například ve středověku používali skláři jako přísady prášky různých kovů a látek pro dosažení zajímavého barevného efektu skla. Jedny z nejvýznamnějších jsou např. tzv. Lykurgovy poháry (obr. 6) se zvláštními barevnými efekty, vyráběné ve čtvrtém století našeho letopočtu v Římské říši. Jejich unikátnost spočívá v odlišném zabarvení v závislosti na poloze světelného zdroje. Je-li zdroj umístěn dovnitř poháru, jeví se červený, zatímco při osvětlení z vnějšku má barvu zelenou. Chemickou analýzou pohárů vědci zjistili, že mají podobné složení, jako dnešní skla. Navíc ale obsahují i malé množství zlata a stříbra ve formě nanokrystalů o rozměrech přibližně 70 nm, které způsobují onu zvláštní barevnost.
Obr. 6 Lykurgův pohár při osvětlení zevnitř a z vnějšku (http://www.aetherwavetheory.info/images/physics/light/plasmons/)
15
Kovových nanokrystalů se též využívalo ve 13.–16. století pro vytvoření lesku glazované keramiky. V roce 1861 britský chemik Thomas Graham popsal suspenzi obsahující částice o rozměrech 1 až 100 nm, kterou nazval koloidním systémem a položil tak základ oboru, nazývaného koloidní chemie. Dalším příkladem je použití sazí jako plniva při výrobě pneumatik. Jedná se o částice amorfního uhlíku o rozměrech 10–500 nm. V současnosti se nejvíce nanotechnologie využívají v oblasti chemie, zdravotnictví, informačních a komunikačních technologií, energetiky a péče o životní prostředí. 1.6 Nanostruktury z pohledu kvantové fyziky Středoškolská úroveň fyziky popisuje jevy kolem nás zejména pomocí klasické fyziky, ať už jsou to Newtonovy pohybové zákony, elektromagnetické jevy, které popsal Faraday, nebo optické jevy z pohledu paprskové či vlnové optiky. Již na střední škole je nastíněno, že světlo je elektromagnetické vlnění a kvantum jeho energie se nazývá foton. Zde již klasická fyzika (optika) přechází v kvantovou. Představme si situaci, že házíme tenisový míček proti stěně. Samozřejmě se odrazí. Na základě klasické fyziky bychom byli schopni popsat kinetickou energii míčku, jeho deformační energii při odrazu, působící síly a využít další známé vztahy z klasické (newtonovské) fyziky, jako zákon zachování hybnosti nebo energie. Klasická fyzika by však nepřipustila, že by tenisový míček mohl stěnou projít.
16
Kvantová fyzika, popisující svět na úrovni atomů a elementárních částic, přinesla pochopení řady jevů, jejichž využití se stalo základem nanotechnologií. První příklad, který uvedeme, je tzv. tunelování potenciálovou bariérou, tj. možnost průchodu částice oblastí, vůči které má částice menší energii. Pravděpodobnost P, že částice o hmotnosti m a energii E takovou potenciálovou bariérou projde, charakterizuje funkce, která pro bariéru o šířce L a výšce E0 má tvar
1 E E 2m 2 0 2L 2 , (1) Pe
kde je redukovaná Planckova konstanta. Ze vztahu (1) vyplývá, že funkce je exponenciální, a pravděpodobnost tak citlivě závisí na všech hodnotách proměnných – hmotnosti částice m, šířce bariéry L a rozdílu energií (E0 – E) [8].
Obr. 7 Zobrazení povrchu vrstevnaté struktury s atomárním rozlišením pomocí skenovacího tunelovacího mikroskopu (http://www.av8n.com/physics/img48/st3153c1.png)
17
Tunelování elektronů využívá unikátní mikroskopická metoda – skenovací tunelovací mikroskopie, která dokáže nejen zobrazit povrchy s atomárním rozlišením (obr. 7), ale umožňuje rovněž manipulovat s jednotlivými atomy. Na obr. 8 je sestaveno logo firmy IBM z atomů xenonu na niklové podložce.
Obr. 8 Logo firmy IBM sestavené z atomů Xe na Ni podložce (http://researcher.ibm.com/researcher/files/us‐flinte/stm10.jpg)
V roce 1925 Luis de Broglie definoval vlnový charakter elektronů. Ten je na obr. 9 potvrzen stojatými vlnami, vzniklými seřazením atomů železa do tvaru kruhové ohrádky na povrchu mědi, jak je zobrazil skenovací tunelovací mikroskop.
Obr. 9 Kvantová ohrádka složená z atomů Fe na Cu (http://quantumcurious.blogspot.cz/2011/05/tunneling.html)
18
Prostorové omezení de Broglieho vlny, která je dané částici přiřazena, vede k tzv. kvantování energie. To znamená, že jen určité energie jsou povolené. Označujeme je jako diskrétní stavy s diskrétními hodnotami energie. Takové prostorové omezení představuje například atom, kde je elektron držen kladně nabitým jádrem, a kvantování energie se projeví tím, že elektron se může vyskytovat v atomu jen v určitém kvantovém stavu. K jednoduchému popisu chování elektronů, nacházejících se v omezeném
prostoru,
můžeme
využít
jednorozměrnou
potenciálovou jámu, která představuje pro elektrony určitou past. Vyjádření diskrétních energií En pro elektrony o hmotnosti me je dáno vztahem
En =
( )
h2 n2 , (2) 2 8me L
kde L je šířka potenciálové jámy, h je Planckova konstanta a n = 1, 2, 3… je hlavní kvantové číslo, charakterizující diskrétní energii částice a popisující kvantový stav elektronu v elektronovém obalu [8]. Potenciálovou jámu (ovšem trojrozměrnou) můžeme laboratorně připravit tak, že použijeme polovodičový materiál ve formě prášku, jehož zrna mají rozměry řádově jednotky nanometrů a mají stejnou velikost. Každé takové zrno, nanokrystal, potom působí jako potenciálová jáma pro elektrony, které jsou v ní uvězněny. Podle vztahu (2) je zřejmé, že nejnižší možnou energii elektronu, vázaného v potenciálové jámě, můžeme zvýšit zmenšením její šířky. Tento vztah platí i pro jámy tvořené jednotlivými nanokrystaly, tj. čím menší je nanokrystal, tím vyšší je prahová energie fotonu, který může
19
být absorbován, případně emitován. Příkladem takové nanostruktury jsou tzv. kvantové tečky. Kvantové tečky jsou ohraničené oblasti polovodiče o průměru 30 nm a výšce 8 nm (obr. 10), schopné v důsledku nižší energie ve srovnání s energií vodivostního pásu okolního polovodiče vázat elektrony. Mohou nabývat pouze diskrétních hodnot energie, podobně jako je tomu u atomu. Každá tečka má omezenou kapacitu, určenou jejími rozměry. Elektrony uvnitř teček vykazují kvantové vlastnosti. Kvantové tečky se využívají ve speciálních součástkách, které jsou schopny pracovat s jednotlivými elektrony či fotony.
Obr. 10 Nanokrystal CdSe (kvantová tečka) zobrazený transmisním elektronovým mikroskopem (http://web.mit.edu/newsoffice/)
Závislost změny vlnové délky emitovaného světla na velikosti nanočástic (nanokrystalů) lze dokázat tak, že vybudíme částice rozptýlené v roztoku ultrafialovým světlem, a čím je rozměr nanokrystalků CdSe menší, tím více se fluorescence posouvá do
20
modré části spektra. Fluorescence nanočástic CdSe je uvedena na obr. 11. Vlevo je rozměr částic 2 nm a vpravo 6 nm.
Obr. 11 Fluorescence koloidního roztoku nanočástic CdSe (http://www.popsci.com.au/science)
21
2 Příklady nanostruktur a jejich nanoaplikace 2.1 Nanočástice, nanovrstvy V oblasti nanomateriálů se využívají především částice ve formě nanoprášků. Jedná se např. o nanoprášky TiO2 a ZrO2 používané v kosmetických krémech, pleťových vodách a opalovacích krémech. S přísadou nanočástic TiO2 se vyrábějí laky s reflexními vlastnostmi. Výrobci skel použili TiO2 v podobě nanočástic pro optimální ztmavení. Sklo je dokonce schopné dobře odrážet sluneční paprsky. Nanočástice Fe2O3 se používají jako základní přísada do rtěnek a líčidel. Různé fáze oxidu železitého Fe2O3 mají specifické vlastnosti. Používají se např. jako barevné pigmenty pro přípravu průmyslových barviv či jako přísada do barevných skel, jako katalyzátory pro řadu chemických reakcí, pro magnetická záznamová média či počítačové paměti. Katalytické vlastnosti nanoprášku Fe2O3 se dají využít v raketovém, vojenském a automobilovém průmyslu při konstrukci dokonalejších airbagů. Magnetické vlastnosti těchto nanočástic se využívají v lékařství v nových metodách filtrování, detoxikace tekutin a krve, nebo jako kontrastní činidla pro tělní orgány při zobrazování metodou magnetické rezonance (MRI). Nanoprášek Fe2O3 lze též použit pro detoxikaci kontaminovaného území. Vědci pokryli nanočásticemi SiO2 povrch skla. Přítomnost nanočástic zabraňuje srážení vody na skle, a tím zůstává stále suché a nerosí se. Speciální vlastnost takto upraveného skla se dá využít např. pro skla automobilů, brýlí či u koupelnových zrcadel. Na trh byly uvedeny obkladačky s povrchovým filmem z nanočástic, na nichž se nedrží voda ani špína. Zde se využívá i zkušenosti z přírody, jak bylo ukázáno na povrchovém efektu u lotosového listu.
22
Na řezné nástroje či některé části strojů se nanášejí nanostrukturní povlaky. Nanovrstva chrání nástroj před otěrem, opotřebením, povolením šroubu, apod. Pro tento účel se používají vrstvy z uhlíku, jež mají senzorické vlastnosti. Působí‐li na ně tlak či síla, mění se jejich elektrický odpor. Toho lze využít pro diagnostiku a kontrolu strojů. Např. uvolní‐li se šroub, vyšle uhlíková vrstva jeho podložky signál do řídícího elektronického systému. Nanočástice jsou využívány pro leštění optických materiálů a elektronických substrátů (např. Si, GaAs). Nanočástice karbidu křemíku, diamantu a karbidu bóru se používají pro lapování součástek (velmi přesné leštění), s cílem omezit vlnitost povrchu na 1 až 2 nm. Výroba těchto součástek s vysoce kvalitními povrchy má velký význam pro miniaturizaci elektronických zařízení a rozvoj optoelektronických systémů. Nejvýznamnější
využití
nanomateriálů
najdeme
v oblasti
informačních technologií, a to při výrobě křemíkových tranzistorů, které používají řízené nanášení vrstvených struktur o tloušťce přibližně 1 nm (rozměr atomu je přibližně 0,1 nm). Příčné rozměry kritické délky hradla tranzistoru dosáhly hodnoty pod 20 nm. Čím je délka hradla kratší, tím lze vytvořit menší, rychlejší a energeticky účinnější tranzistory. S tím souvisí také zlepšení výkonnosti digitálních zařízení a snížení jejich ceny. Další využití vrstvených struktur nalezneme u čtecích hlav standardních harddisků. Přítomnost nanostruktur je příčinou vzniku velkého magnetického odporu, který významně zvyšuje jejich paměťovou kapacitu a snižuje jejich cenu.
23
2.2 Uhlíkové nanostruktury Začátkem 90. let byly objeveny kulovité uhlíkové molekuly, tzv. fullereny, které nastartovaly koncepci nanotechnologií. Fullereny byly objeveny britským profesorem Haroldem Krotoem a americkými fyziky Robertem Curlem a Richardem Smalleyem. Použili k tomu grafitový disk, který odpařovali laserem, páry chladili v proudu hélia, a pak měřili jejich spektra. V nich vyčetli přítomnost stabilních velkých molekul o složení C60 a C70. Za tento objev dostali v roce 1996 Nobelovou cenu za chemii. V molekule C60 je šedesát atomů uspořádáno pravidelně na povrchu jedné společné koule. Z obr. 12 je vidět, že vazby mezi atomy uhlíku vytváří na povrchu koule vzor jako u fotbalového míče. Název fullereny odkazuje na amerického architekta R. Buckminstera Fullera, který podobný typ struktur používal při stavbě výstavních hal.
Obr. 12 Fulleren C60 – počítačem vytvořený obrázek (http://www.nanopartikel.info/cms)
Postupně byla zvládnuta výroba těchto molekul, a zájem byl soustředěn na zkoumání jejich vlastností, a to supravodivost, tvrdost (někdy větší než u diamantu), magnetické chování a léčivé účinky chemických derivátů fullerenů.
24
V roce 1991 Japonci zjistili, že lze vyrobit i fullereny válcového tvaru. Jsou to velmi dlouhé a úzké čistě uhlíkové nanotrubičky, které vykazují mechanickou pevnost 50 až 100krát vyšší, než má podstatně těžší ocel (obr. 13), a které vedou elektrický proud i teplo. Je to dosud nejperspektivnější materiál, jaký mají nanotechnologie k dispozici. Ukázalo se, že některé nanotrubičky se mohou chovat jako polovodiče, což vedlo k vytvoření molekulárního tranzistoru, který funguje za pokojové teploty. Tím byla otevřena cesta molekulové elektronice, miniaturizaci výpočetní techniky a zvýšení rychlosti počítačů. Snímek skutečné uhlíkové nanotrubičky s více vrstvami je na obr. 14. Ve výrobě nanotrubiček v současnosti došlo k velkému pokroku, byla již vytvořena trubička s délkou 20 cm.
Obr. 13 Model jednostěnné nanotrubičky (http://www.physics.ox.ac.uk)
25
Obr. 14 Snímek vícevrstvé uhlíkové nanotrubičky (MWNT – Multiwalled carbon nanotube) v transmisním elektronovém mikroskopu (Jeol 2010)
Z nanotrubiček se podařilo vyrobit superpevnou fólii, která má velmi dobré mechanické vlastnosti (zejména vysokou pevnost), je průhledná a vodivá. Dalo by se říct, že se jedná o rozvinutou nanotrubičku (tzv. grafen – dvourozměrný fulleren, obr. 15). Uplatnění nachází při výrobě skel. Sklo potažené touto fólií je velmi pevné a díky vodivosti fólie ho lze vyhřívat. V elektrotechnice by se dala grafenová struktura použít na výrobu kondenzátorů s větší kapacitou (více namotaných závitů při stejném objemu díky velmi malé tloušťce) či supertenkých ohebných displejů (fólie umí zářit jako zářivka).
Obr. 15 Model grafenového plátu a jeho skutečný obraz ve skenovacím tunelovacím mikroskopu (http://arstechnica.com)
Fyzikům se podařilo vytvořit i další formu uhlíku, tzv. nanopěnu, působením laserových pulsů na uhlíkový terčík v argonové atmosféře, a zahřátím na teplotu 104 °C. Struktura nanopěny je tvořena sítí pospojovaných uhlíkových nanotrubiček dlouhých 5 nm (obr. 16). Tato forma uhlíku vykazuje překvapivé feromagnetické vlastnosti, které za pokojové teploty po pár hodinách vymizí, ale při
26
nižších teplotách je lze dlouhodobě udržet. Uvedená vlastnost by se podle názoru některých fyziků dala v budoucnu využít například v medicíně při léčbě rakoviny. Vstříknutím látky do nádoru by bylo možné jej zničit lokálním zvýšením teploty nanopěny po pohlcení infračerveného záření, zatímco okolní zdravá tkáň by zůstala neporušena. Tyto a další představy o vlastnostech a aplikacích nanopěny jsou ve fázi intenzivních výzkumů.
Obr. 16 Uhlíková nanopěna zobrazená elektronovým mikroskopem (http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_25/carbon_nanofoam.jpg)
2.3
Mikroelektronika a nanoelektronika Mikroelektronika je odvětví elektroniky, zabývající se vývojem
integrovaných obvodů, vestavěných mezi jednotlivé polovodičové oblasti, s nepatrnými rozměry ve škále mikrometrů. Nanoelektronikou se rozumí věda, která studuje a vyrábí elektrické obvody, které jsou: z jiných materiálů než je křemík, nebo jsou vyrobeny metodami nanotechnologií, a které pracují na
27
podstatně odlišném souboru principů, než které platí pro křemíkové obvody. Éra aktivních elektronických součástek začala vynálezem elektronové lampy, zkonstruované roku 1904 profesorem londýnské univerzity Johnem Ambrosem Flemingem. Skutečný rozvoj mikroelektroniky nastal ovšem až o čtyřicet let později, objevem hrotové diody z velmi čistého monokrystalu germania. Na základě dalšího zkoumání vlastností povrchu germania, pak v roce 1948 objevili John Bardeen a Walder Hauser Brattain, pod vedením Williama Bradforda Shockleyho, první tranzistor. Tím nastal bouřlivý rozvoj mikroelektroniky směřující ke stále lepším parametrům a menším rozměrům součástek. V období let 1959 až 1960, kdy byl zahájen u firmy Texas Instruments na zakázku amerického vojenského letectva vývoj digitálních monolitických obvodů z křemíku, začíná éra integrovaných obvodů – základních stavebních prvků mikroelektroniky. 2.3.1 Mikroelektronika Patří již několik desetiletí k nejdůležitějším oblastem elektroniky. Při jejím vývoji se významně projevila snaha vytvářet integrované obvody minimálních rozměrů a zároveň velkých výkonů. Mikroelektroniku můžeme tedy charakterizovat dvěma principy: principem miniaturizace a principem integrace. Princip integrace a zásady jejího zvyšování Princip integrace spočívá ve sdružování základních prvků (tranzistorů, diod, rezistorů,…) na jedinou křemíkovou destičku. Cílem integrace je co nejvíce zvýšit počet prvků na jedné destičce. To
28
můžeme provádět dvěma způsoby – zachováním velikosti struktur za současného zvětšování plochy čipu, nebo zmenšováním rozměru prvků na čipu. První metodou bylo v 70. letech dosaženo rozměrů čipu 9 mm2. V současné době se rozměry čipu pohybují okolo 200 mm2. Při druhém způsobu dochází ke zmenšování horizontálních i vertikálních
rozměrů
jednotlivých
struktur
a
především
k miniaturizaci hradla. Zmenšení se docílí např. uplatněním nových technologických postupů nebo zvýšením kvality vstupního materiálu. Uveďme příklad. Omezíme‐li se na elektroniku zpracovávající informaci (tj. počítače, televizory, telefony), můžeme říci, že jejich nejvýznamnějším prvkem je tranzistor řízený polem (Field Effect Transistor, FET, obr. 17).
Obr. 17 Tranzistor řízený elektrickým polem: a) průřez strukturou, b) schematická značka, c) pohled na součástku
Ten má dvě krajní elektrody, označované jako source a drain, mezi kterými procházejí elektrony. Velikost procházející proudu při konstantním přiloženém napětí lze řídit pomocí třetí elektrody – hradla (gate). Jako rozměr tranzistoru, který je sledovaný, je především šířka oblasti L pod hradlem, tj. nejmenší vzdálenost mezi oblastmi elektrod source a drain. Čím menší je L, tím
menší je i celý tranzistor, 29
více jich umístíme na plochu čipu a
rychlejší tranzistor je.
Takže cesta k řešení požadavku na větší výkon počítačů by měla vést ke stále menším tranzistorům, jak se už v současnosti děje. Při velmi malých rozměrech se začínají objevovat rušivé jevy, které převážně souvisí s kvantovou povahou nanosvěta. O limitech integrace se zmiňujeme v následujícím textu. Proces integrace přináší zvýšení spolehlivosti systému, protože propojení jednotlivých prvků na jednom čipu je mnohem spolehlivější, než by bylo propojení integrovaného obvodu na desce plošných spojů. Další pozitiva spočívají v úspoře hmotnosti a prostoru, díky snižování počtu čipů, nebo snížení nákladů. Naopak problémy integrace tvoří zejména nárůst počtu vývodů a s ním spojená složitost zapouzdření (udržení příkonu obvodu v takových mezích, aby pouzdro bylo schopno odvádět a rozptylovat ztrátový výkon) a řešení ekonomické otázky výroby. Pokroky v integračním procesu, a tedy i v celé oblasti mikroelektroniky předpovídá již pět desetiletí tzv. Moorův zákon1. Ten říká, že -
složitost mikrosystémů (charakterizovaná počtem prvků na čipu) roste 4krát za 3 roky,
-
minimální rozměr struktury klesá s indexem 0,5 každé tři roky a
1
Zákon vyslovený roku 1964 spoluzakladatelem společnosti Intel Gordonem Moorem
30
-
plocha čipu roste 1,5 krát každé tři roky.
Obr. 18 Grafické vyjádření základní charakteristiky vývoje technologie integrovaných obvodů a mikrosystémů: a) složitost integrovaných obvodů, b) velikost detailu struktury, c) délka hradla
Jak vidíme z grafu na obr. 18, složitost integrovaných obvodů, a tedy i hustota integrace prvků v jednom čipu, se neustále zvětšuje. Zatímco před deseti lety se předpokládal počet prvků na jednom čipu cca 109, v současné době je to už 1012 a předpokládá se, že i plocha čipu překročí 200 mm2. Limity integrace se neustále posunují. Z pohledu dnešní koncepce mikrostruktur však existují jisté absolutní hranice, které nelze překročit. Limity integrace Limity integrace rozdělujeme na fyzikální, materiálové, chemické, obvodové, systémové, praktické a limity struktur. Principiální fyzikální limit je limit daný rychlostí šíření elektromagnetického záření ve vakuu. Díky němu je omezena
31
rychlost přenosu signálu mezi jednotlivými prvky obvodu parametrem c = 3.108 ms‐1. Limit způsobený kvantovými jevy omezuje hustotu funkčních prvků systému. Materiálové limity souvisí s výběrem vhodných materiálů. Jde především o limit tepelné vodivosti základního materiálu a limit transportního času elektronů. Limity struktur určují minimální rozměry struktur, takže tam patří limit délky spojů, který určuje hranici pracovní rychlosti obvodu a limit délky hradla tranzistoru, o němž jsme se již zmínili. Pro polem řízený tranzistor na křemíku, s rovnoměrnou koncentrací příměsí v kanále a napájecím napětí 1 V, je minimální délka kanálu kolem 100 nm). Obvodové limity zahrnuje limit napájecího napětí, který z důvodu vysokých podprahových proudů při nízkém prahovém napětí musí být minimální napětí větší, než 0,1 V. Dále sem patří limit součinu zpoždění a elektrického příkonu hradla tranzistoru a limit zpoždění signálu na propojovací síti čipu, který vymezuje rozlehlost obvodového systému. Systémové limity vycházejí z limitů sestavení integrovaného obvodu. Každé sestavování integrovaného obvodu musí být podřízeno vlastnostem struktury a vyváženosti jejích jednotlivých částí. Musíme znát limit reálných možností odvedení přebytečného tepla z čipu. A také limit úrovně způsobu zapouzdřování čipu co do jeho velikosti, počtu přívodů, …
32
Praktické limity zahrnují např. limit ekonomický, v němž jde o rovnováhu mezi výrobními náklady a užitečností daného integrovaného obvodu. K ilustraci problémů, se kterými se při zmenšování součástek setkáváme, si uveďme dva konkrétní příklady:
Polovodičová elektronika nepracuje s čistými polovodiči (např. křemík), ale s dotovanými polovodiči, které v sobě mají záměrné nečistoty (např. fosfor), ovlivňující elektrické chování – vytvářejí polovodiče typu P a typu N. Důležité je, že atomů dopujícího prvku je o několik řádů méně než atomů základního materiálu. Při odvozování modelů chování takových prvků se předpokládá, že v každém kousku hmoty zůstává velký počet atomů příměsí. To však není pravda pro nanometrové struktury, např. při šířce hradla tranzistoru 10 nm by už v oblasti těsně pod ním nemusel být jediný příměsový atom. V tom případě by došlo k selhání celé teorie, na které je funkce tranzistoru založena.
Druhá ukázka souvisí s pojmem odporu. V běžné elektronice často používáme rezistory, tj. součástky s definovaným odporem. Odpor vzniká tím, že se procházející elektrony rozptylují na atomech tělíska rezistoru a odpor např. drátu je dán známým vztahem R=ρl/S, kde ρ je měrná vodivost (tj. materiálová vlastnost), l je délka drátu a S je jeho průřez. Ovšem při velmi malých rozměrech se objevuje balistická vodivost, při které elektron projde skrz celý drát bez jediného rozptylu a v tom případě je odpor součástky konstatní, přibližně 13 kΩ. Zmizí tedy závislost na materiálu i rozměrech
33
vodiče a výslednou hodnotu odporu už nemůžeme tak snadno ovlivnit. Limity miniaturizace a integrace tak vedou již několik let k hledání alternativních materiálů a nových metod výroby integrovaných obvodů. 2.3.2 Nanoelektronika Je obor, zabývající se řešením otázek limitů pomocí nových materiálů a nových technologií výroby elektrických obvodů. Na rozdíl od mikroelektroniky, založené na principu pohybu elektronů a děr v elektrickém poli, spočívá nanoelektronika ve spínacích efektech na úrovni
molekul.
Za
hranici
mezi
mikroelektronikou
a
nanoelektronikou je považováno 300 nm, i když opodstatněná by byla spíše hranice 2,5 nm, v důsledku uplatnění přímého tunelování elektronů právě při těchto rozměrech. Nanoelektronika se začala objevovat v 80. letech minulého století, v souvislosti s možností realizovat polovodičové součástky o velikosti několika setin mikrometru. Přelomu bylo dosaženo o 20 let později, kdy firma IBM představila první tranzistor z nanotrubiček. Ve stejném období byl také sestaven první jednomolekulový logický obvod, tvořený dvěma tranzistory. Nanoelektronika se postupně dostávala do popředí výzkumu. V průběhu několika let vzniklo velké množství nových objevů a jejich použití se postupně rozšiřuje do všech oblastí elektroniky. Vzhledem k dynamickému charakteru vývoje této oblasti bude uvedeno jen několik aplikací.
34
Jednofotonové detektory V úvodu byly zmíněny nanostruktury v podobě kvantových teček. K zařízením využívajícím kvantové tečky patří jednofotonový detektor (QDFET – Quantum Dots Field Effect Transistor), který vznikl modifikací tranzistoru FET (Field Effect Transistor – tranzistor řízený polem)
přidáním
vrstvy
s kvantovými
tečkami paralelně
k proudovému kanálu. QDFET tranzistor slouží k detekci jednotlivých fotonů. Struktura tranzistoru je graficky znázorněna na obr. 19. Vrstva s kvantovými tečkami musí být od proudového kanálu vzdálena jen několik nanometrů. Záporné náboje elektronů zachycených v kvantových tečkách ovlivňují proud protékající kanálem tranzistoru. Citlivost tranzistoru lze řídit uvolněním jediného elektronu z kvantové tečky. Pohltí‐li tečka foton, vzniká pár elektron – díra a elektron je uvolněn. Tím se změní velikost protékajícího proudu o měřitelnou hodnotu.
Obr. 19 Struktura jednofotonového detektoru QDFET (http://www.aldebaran.cz/bulletin/2005_18/single‐photon‐detection.gif)
35
Jednofotonové detektory mají na rozdíl od klasických detektorů, jako jsou fotonásobiče nebo lavinové fotodiody, vyšší dynamický rozsah, vyšší kvantovou účinnost, menší šum, nevyžadují k provozu vysoké napětí a jsou méně náročné na konstrukci. Technika jednofotonové detekce poskytuje optimální metody měření stálých optických signálů a umožňuje podstatně zlepšit různé druhy zobrazovacích zařízení pro rentgenové záření, záření radioizotopů i jiných druhů záření. Tyto detektory přinášejí možnosti širokého uplatnění v lékařské diagnostice, analytické chemii i jiných oborech. Nejvýznamnější použití jednofotonových součástek však spadá do oblasti přenosu dat, a to díky dokonalému bezpečnostnímu přenosu šifrovacího klíče v kvantové kryptografii. Tranzistor z nanotubiček Tranzistor z nanotrubiček CNFET (Carbon Nanotubes Field Effect Transistor) je obdobou dnešního tranzistoru MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor). U tohoto tranzistoru je vodivost kanálů mezi kolektorem a emitorem ovládaná elektrickým polem ve struktuře kov‐oxid‐polovodič. Odlišnost tranzistoru CNFET spočívá v tom, že kanál tvoří nanotrubička (obr. 20). Tranzistory CNFET rozdělujeme do dvou generací. V první generaci prochází nanotrubička dvěma zlatými elektrodami, které tvoří emitor a kolektor. Hradlo je situováno pod tranzistorem nebo na jeho boku a od nanotrubičky je odděleno izolační vrstvou oxidu křemíku. Díky této izolaci je elektrické pole hradla schopno tranzistor sepnout a vypnout. Tato konstrukce má však několik nevýhod. První z nich je potřeba vysokého napětí k sepnutí, z důvodu větší šířky izolační
36
vrstvy (více než 100 nm). Dalším problémem je, že je nanotrubička vystavena působení vzduchu. Řešení nevýhod přinesla druhá generace. Její odlišnost spočívá především v umístění hradla, které je, oproti dřívějšímu provedení, položeno na nanotrubičku. To způsobí, že je nanotrubička dostatečně chráněna izolační vrstvou cca 15 nm tenkou, což umožňuje použít k sepnutí tranzistoru nižší napětí.
Obr. 20 Tranzistor CNFET první generace [9] (vlevo) a jeho reálná konstrukce zobrazená mikroskopem atomárních sil (http://www.physics.gu.se/)
Existují i nanotranzistory, v nichž kanál namísto nanotrubičky
tvoří molekula DNA. Tzv. DNA‐FET byl zkonstruován na univerzitě v Rochesteru, kde také vědci oznámili sestavení prvního balistického tranzistoru. Jeho základem je polovodič, v němž se nacházejí
37
elektrony ve stavu dvourozměrného elektronového plynu (elektrony jsou „uzavřeny“ v extrémně úzkém prostoru heterostruktury). Zde se pohybují bez srážek s nečistotami, které by zapříčinily jejich zpomalení. Princip činnosti tranzistoru je založen na odklonu elektronů elektrickým polem. Jednomolekulová dioda
S realizací jednomolekulové diody přišel mezinárodní tým
vědců v dubnu 2006. Podle jejich předpokladů lze sestavit diodu o rozměrech pouhých několika desítek atomů, pracující na následujícím principu (obr. 21). Elektronové hladiny v molekule představují jakési kanály, které mohou efektivně přenášet elektrony mezi elektrodami. Asymetrický tvar molekul pak způsobí, že elektrony reagují na napětí asymetricky. Tato asymetrie přispívá k tzv. molekulovému usměrňování, tj. jevu, kdy kanály vedou elektrony pouze jedním směrem. Při změně polarity napětí proud díky
asymetrii
neprochází.
Uvedená
vlastnost
činí
z jednomolekulových diod součástku, která bude v budoucnu schopna nahradit křemíkové diody.
38
Obr. 21 Jednomolekulová dioda (http://www.azonano.com)
Nanogenerátor První nanogenerátor se podařilo sestrojit výzkumníkům z Georgia Institute of Technology v dubnu 2006. Odstranili tak problém, jak získat spolehlivý zdroj pro nanozařízení, neboť dnes používané akumulátory a solární články jsou pro napájení nanostrojů nevhodné. Akumulátory nelze dostatečně miniaturizovat, navíc obsahují toxické látky. Fotovoltaické články zase vyžadují přímou viditelnost mezi zdrojem a příjemcem energie. Nanogenerátor pracuje na principu piezoelektrického jevu. Na podklad ze safíru jsou nejprve rozprášeny nanočástice zlata, které slouží jako katalyzátor pro růst nanodrátků oxidu zinečnatého. V místě, kam zlato dopadá, vznikají tyčinky ZnO, které vytvoří pole jednorozměrných hrotů podobných kartáči. Přes pole přejíždí sběrač (vědci použili hrot mikroskopu atomárních sil – AFM), jenž klouže po jednotlivých nanodrátcích, ohýbá je a ty se díky polovodivým a piezoelektrickým vlastnostem nabíjejí (obr. 22). V okamžiku, kdy hrot z tyčinky sklouzne, dojde
39
k uvolnění mechanického zatížení a uvolnění elektrického náboje. Napětí naměřené na generátoru je v řádu mV, přesto se jedná o slibný objev, který by v budoucnu mohl nalézt široké uplatnění.
Obr. 22 Nanogenerátor (http://www.ens‐newswire.com/ens/apr2006/2006‐04‐ 17‐03.asp): a) nanodrátky ZnO, průběh přejezdu hrotu mikroskopu atomárních sil přes nanodrátek, b) výsledné pole napětí
Motor z nanotrubiček V řadě užitečných systémů nevystačíme pouze s elektrickou funkcí, ale musíme kombinovat i jiné fyzikální oblasti, například mechanickou. Jedním příkladem takového zařízení je motor. V současné době jsou tak propracované technologie, které funkci motoru umí integrovat přímo do polovodičové destičky, na které je vytvořen elektronický integrovaný obvod ‒ tím jsme se dostali do
40
oblasti mikroelektromechanických systémů (MEMS). Takový motorek může mít průměr třeba jen 50 µm. Příklad MEMS, se kterým se můžete běžně setkat, je měřič zrychlení (akcelerometr), který v autě aktivuje po nárazu airbag. Stejně jako jsme od mikroelektroniky přešli k nanoelektronice, můžeme od MEMS přejít k nanoelektromechanickým systémům. První rotační motor z nanotrubiček sestavili vědci kalifornské univerzity v červenci 2004 (obr. 23). Rotor motoru (R) se skládá ze zlatých plátků o délce 100–300 nm a hřídel tvoří vícestěnná nanotrubička o průměru 10 nanometrů. Nanotrubičku vědci umístili do vrstvy oxidu křemíku, pod níž se nachází jeden ze statorů (S3). Přivedeme‐li na statory stejnosměrné napětí 50 V, rotor se asi o 20 stupňů vychýlí. Nahradíme‐li stejnosměrné napětí střídavým, začne se rotor chovat jako torzní oscilátor schopný kmitat s frekvencí od stovek Hz do 1 GHz. Silný stejnosměrný impulz přivedený do statoru způsobí, že se hřídel z nanotrubičky začne otáčet.
41
Obr. 23 Rotační nanomotorek: a) schéma, b) skutečný nanomotorek na snímku z elektronového mikroskopu
Velkou výhodou tohoto typu nanomotorku je především extrémně nízké tření a nízká spotřeba energie. Díky tomu může být točivý nanomotorek použit v počítačové technice, mobilních telefonech, rádiích či optice. V současné době jsou známé nanomotory i jiné konstrukce, např. flagellární (bičíkový) nanomotor, který je napájen tokem iontů přes cytoplasmatickou membránu bakteriální buněčné stěny. Jiný biologický nanomotorek je vytvořený z šesti ramen RNA obklopujících centrální osu z DNA a poháněný spotřebou ATP (adenosin trifosfát – biologický přenašeč energie). Tento nanomotorek by se mohl uplatnit pro ničení nežádoucích mikroorganismů nebo pro zavádění genů a léčiv do molekul. Uvedené systémy, které jsou často inspirované přírodou a založené na složitých molekulách, bývá zvykem označovat jako molekulární stroje. Počítačové paměti Cílem výzkumu počítačových pamětí je vytvořit paměť, která bude mít:
rychlost pokud možno vyšší než současné RAM (Random Access Memory),
nízkou cenu srovnatelnou s cenou dnešních pevných disků,
vysokou hustotu uložení dat (poměr kapacity k velikosti),
uchování dat i po odpojení energie,
vysokou spolehlivost (např. žádné pohyblivé součásti), 42
a nízkou spotřebu energie.
Tyto požadavky by mohla splňovat paměť vytvořená s využitím nanotechnologií. Jednou z variant je paměť NRAM, využívající nanotrubiček, kterou představila firma Nantero z Bostonu (USA). Jde o paměťový čip s kapacitou 10 Gbitů. Je tvořen miliardami nanotrubiček o délce 100 nm, umístěných mezi pláty křemíku. Princip jeho činnosti spočívá v přivedení malého elektrického náboje na jeden z křemíkových plátků a natažení několika nanotrubiček, které křemíkové vrstvy propojí. Díky přítomnosti molekulárních sil zůstane propojení i po přerušení elektrického náboje. Použijeme‐li napětí znovu, nanotrubičky se uvolní a vytvořené propojení se zruší. Skupina nanotrubiček se tedy dokáže chovat jako paměťový prvek. Propojení křemíkových vrstev má hodnotu logické jedničky, jestliže místo není propojeno, je hodnota bitu logická nula. Protože hustota dat v NRAM čipech je velmi vysoká a křemíkové vrstvy jsou v těsné blízkosti u sebe, trvají operace čtení a zapisování do paměti z nanotrubiček jen půl nanosekundy (u RAM paměti je to 10 ns).
Obr. 24 Detail paměti Millipede (http://phys.org/news88.html)
43
Jiný typ paměti testovala firma IBM. Jedná se o vysokokapacitní paměť RAM zvanou Millipede (obr. 24). Její princip je podobný jako záznam na děrné štítky. Vše se však odehrává v řádu nanometrů a oproti děrným štítkům lze záznam i přepsat. Na takto vytvořené médium o velikosti poštovní známky lze umístit až 1 Tbit dat. Patent společnosti Iomega v oblasti nanotechnologie a optického záznamu dat nese název AO‐DVD (Articulated Optical‐Digital Versatile Disc), má 5krát až 30krát větší přenosovou rychlost a lze na něj uložit 40 až 100krát více informací, než dovolují současná média. AO‐DVD může mít kapacitu až 1 000GB, přitom cena takového DVD by zůstala přibližně stejná, jako mají současná média. Počítačová společnost Hewlett‐Packard otevřela cestu ke kvantovým počítačům, když se jejímu vědeckému týmu podařilo vyrobit nanozařízení, které by v budoucnu mělo nahradit tranzistory v současných počítačích. Základním krokem k výrobě čipů je technologie, jež i bez tranzistoru umožní obnovení signálu a jeho inverzi. Jedná se v podstatě o překřížené platinové dráty s molekulami jako luminiscenčními zdroji. Funkci tranzistoru bude nahrazovat jeden vodič překřížený dvěma kontrolními, které budou sloužit i jako spínače. Vysláním elektrických impulsů může tato technologie provádět základní logické operace AND, NOT a OR. Velikost jednotlivých spojů se bude pohybovat okolo 2 nm. Výroba základních prvků přitom bude jednoduchá a poměrně levná.
44
Obr. 25 Svítící clustery
Na obr. 25 je vidět světlo jednotlivých emitujících molekul, z nichž každá tvoří miniaturní luminiscenční zdroj. Sledováním výstupu emitovaného světla ze dvou korelovaných molekul lze pulsy sčítat a vytvářet tak jednoduché základní sčítací operace. Nanotechnologie by také mohly vyřešit problém, který v oblasti elektroniky má metrologie, tedy věda zabývající se všemi aspekty měření. Abychom mohli přesně měřit, musíme mít k dispozici kvalitní etalony. Etalony však mají různou kvalitu (přesnost) i praktičnost. Například etalon hmotnosti je dodnes definován jako hmotnost jedno konkrétního válečku. To znamená, že kdybychom o něj přišli, například při požáru, nebudeme už nikdy schopni udělat přesně stejný etalon. Proto jsou mnohem lepší etalony, které vycházejí z nějakých obecných zákonitostí přírody a za nejlepší jsou považované kvantové etalony, které závisejí jen na hodnotách základních fyzikálních konstant (např. náboji elektronu nebo Planckově konstantě). Dnes máme k dispozici takové etalony pro odpor i napětí, ale bohužel nám chybí kvantový etalon proudu. Tato situace je velmi nepříjemná, protože v soustavě SI jsme zvolili ampér jako základní jednotku ‒ a dnes ji musíme odvozovat. Vyřešit tuto situaci by mohly nanotechnologie: existují totiž speciální
45
nanotranzistory, ve kterých mohou elektrony procházet jen jeden po druhém ‒ jednoelektronové tranzistory. Když budeme vědět, kolik elektronů za jednu sekundu tranzistorem prošlo, můžeme velmi přesně určit proud a postavit kvantový etalon proudu. Jednoelektronové tranzistory nám také mohou vyřešit i jiné problémy. Na rozdíl od běžných tranzistorů nemají žádný problém se zmenšováním, a proto s nimi snáze dosáhneme větší hustoty tranzistorů a tím i větší výkon. Navíc se tolik nezahřívají, takže se zmenší i ztrátové teplo. Bohužel jsou obtížnější na výrobu, takže na jejich využití si budeme muset ještě chvíli počkat. Jinou zajímavou oblastí nanoelektroniky je spintronika. V běžné elektronice pracujeme s vodiči, polovodiči a izolanty a využíváme náboj elektronu. Elektron má však i další vlastnosti a jednou z nich je spin. Spin elektronu může mít jen dvě různé hodnoty a v závislosti na konkrétní hodnotě se mění chování elektronu v magnetickém poli. Spintronika tedy kromě zmíněných materiálů využívá ještě feromagnetické materiály. Jeden z jevů, který spadá do oblasti spintroniky, je gigantická magnetická rezistance (GMR) a její úspěšné využití stojí za prudkým nárůstem kapacity harddisků na přelomu století. Kromě vylepšování tranzistorů můžeme v oblasti „výpočetní elektroniky“ zkoušet i zcela nové přístupy. Jedním z nich byly DNA počítače, ve kterých k výpočtům docházelo v podobě biochemických reakcí. Taková architektura je však velmi nákladná a v dnešní době už nemá význam. Ale v 90. letech minulého století byly DNA počítače pro vybrané úlohy mnohem rychlejší, než běžné křemíkové počítače.
46
Jinou možností je počítat s pomocí kvantových celulárních automatů (QCA), které jsou založeny na využití velmi malých kvantových teček. Zajímavým rozdílem oproti běžné elektronice, ve které jsou operace spojeny s průchodem elektronů, je skutečnost, že zde se mění pouze poloha elektronů, nedochází k vedení proudu. To by opět mohlo mít příhodné vlastnosti z hlediska ztrátového tepla. Displeje V současné době se ve velké míře používají displeje LCD (Liquid Crystal Display), vyrobené z kapalných krystalů. Jejich značnou nevýhodou je malý zorný úhel, pod kterým je možné se na monitor dívat. Tuto nevýhodu by měly odstranit obrazovky NED (Nano Emissive Display), vyvinuté firmou Motorola Labs (obr. 26). Technologie jejich výroby je založena na speciální metodě, kdy přímo na skle jsou vertikálně umístěny nanotrubičky. Vybuzená nanotrubička emituje elektrony podobně jako u vakuových televizních obrazovek, ty narážejí na fosforový plát a vytvářejí světelnou stopu. Prototyp představený Motorolou má tloušťku obrazové plochy 3,3 mm a napětí potřebné k vybuzení trubičky je 5 až 10 V.
47
Obr. 26 Displej NED (www.nanotech-now.com)
Současně byly vyvinuty i displeje OLED (Organic Light Emitting Diode). Podobně jako u NED displejů mají OLED větší kontrast, ostrost a rychlejší odezvu. Základem organických displejů je organická luminiscenční dioda, která vyzařuje světlo určité barvy. Přivedeme‐li na katodu a anodu stejnosměrné napětí, začnou přes vodivou vrstvu procházet elektrony a z anody jsou přes speciální vrstvu přenášeny díry (obr. 27). V organické vrstvě dojde ke srážce páru elektron – díra, spojené s vyzářením energie o určité vlnové délce. Pokud na organický materiál žádné napětí nepřivedeme, nesvítí, což je rozdíl oproti LCD. Tam i přes absenci napětí malé množství světla prochází. Velkou výhodou OLED je jejich variabilita. Volbou vrstvy určené pro nanesení organického materiálu lze získat FOLED (Flexible Organic Light Emitting Diode) displeje, kde sklo je nahrazeno flexibilním materiálem (obr. 28).
48
Obr. 27 Schéma jednoho pixelu OLED displeje
Obr. 28 Pružný displej FOLED (http://www.charterworld.com)
Chladiče Účinné chlazení počítačů vyvinuli vědci na univerzitě v Purdue (USA) na bázi iontového větru. Systém využívá pole záporných
49
elektrod z nanotrubiček o průměru cca 5 nm, umístěných na čipu. Přivedeme‐li na tyto elektrody napětí (nižší než 100 V), začnou od záporných ke kladným elektrodám proudit elektrony ionizující přítomný vzduch (podobně jako při bouřce). Vzniká proud částic hnaný vpřed pravidelnými změnami napětí na třech různě nabitých elektrodách v tzv. „pumpovací oblasti“. Popoháněný mrak navíc současně naráží na neutrální atomy, čímž vznikají další ionty. Další variantou chlazení je náhrada nanotrubiček slabou vrstvou synteticky vyrobeného diamantu. Výhodou obou nových typů chladicích systémů je jejich umístění přímo na čipu, a také nehlučnost. Reproduktory Nanosystémy lze použít i v oblasti akustiky, konkrétně jako reproduktory. V kvalitních reproduktorových soustavách se již dnes používají ferofluidy, což jsou kapaliny obsahující magnetické nanočástice. Použití ferofluidů těmto systémům umožňuje dosáhnout dobrého chlazení a zároveň tlumení pohybu membrán reprodukturů. Na druhé straně kvality reprodukce stojí nanotrubičkový papír (obr. 29). Nanotrubičky se po přiložení napětí protahují nebo zkracují a jejich synchronizovaný pohyb vede k vlnění papíru a vybuzení zvuku. Takový reproduktor sice není příliš kvalitní, ale jeho malá tloušťka jej činí vhodným například pro zvukové informační systémy.
50
Obr. 29 Struktura nanotrubičkového papíru (http://lib.store.yahoo.net/lib/nanolab2000/paperstructure)
2.4 Bionanotechnologie ‐ nanomedicína K likvidaci nádorů se s úspěchem dají využít nejrůznější nanočástice, které musí mít stavbu, uvedenou na obr. 30.
Obr. 30 Schematické znázornění nanočástice (N) s nanesenou biokompatibilní vrstvou (C) a na ni navázanou účinnou látkou (B)
Jako jeden příklad uveďme jedno z možných řešení v podobě křemíkových kuliček o rozměru 100 nm, potažené 10nm vrstvičkou zlata. Tyto kuličky jsou vpraveny k nádoru, kde jejich přítomnost
51
nepředstavuje sama o sobě zdravotní riziko. Po ozáření jejich povrchu laserovým paprskem se kuličky prudce ohřejí a spálí nádorové buňky. K ničení zhoubných buněk stačí třeba ohřát nanočástice pouze na 55 C, kdy dochází k denaturaci bílkovin. Vrstvička zlata na povrchu kuličky umožňuje přeměnit absorbované záření na teplo. Při dopadu záření na zlatou slupku dochází k tzv. rezonanci. Díky této schopnosti lze nanokuličky „naladit“ na různé barvy laserového záření. Bylo zjištěno, že záření o vlnové délce 820 nm proniká dostatečně hluboko a nenaráží na žádný odpor uvnitř tkání. Vývoj těchto moderních léčebných postupů však pokračuje dál. Nanočástice by měly být schopné se samy navádět na cíl. K tomu jim pomáhá
protilátka
navázaná
na
obalu
nanočástice,
jejíž
prostřednictvím se nanokuličky zachytí na povrchu rakovinné buňky. Takto modifikované nanočástice se po aplikaci do krve hromadí pouze v nádorových buňkách, které jim poskytují nejvhodnější podmínky k uchycení. Lékaři plánují, že by tyto vylepšené „nanostřely“ měly být schopné likvidovat i velmi malé metastázy, které nelze odhalit dosud používanými zobrazovacími metodami. Má‐ li nanočástice vhodné magnetické vlastnosti, je možné k navedení k cíli využít magnetického pole a navíc je možné lépe lokalizovat nádor pomocí metody „zobrazení magnetickou rezonancí“ (MRI). Zlaté nanokuličky jsou zatím testovány laboratorně, ale vzhledem k pozitivním výsledkům se dá očekávat, že v dohledné době budou používány k likvidaci nádorových onemocnění u člověka. Na obr. 31 je znázorněna zlatá nanokulička, na jejímž povrchu je navázána protilátka.
52
Obr. 31 Zlatá nanokulička s povrchem modifikovaným protilátkou
Nanomedicína přinesla revoluční změnu i při aplikaci léků. Doposud byl nejrychlejší způsob aplikace látky nitrožilně, což bylo spojeno s bolestivými vpichy a vysokými nároky na sterilitu. Nanotechnologickými postupy lze vyrobit koloidní roztoky vitamínů, minerálů, potravinových doplňků a léků ve sprejové formě. Spreje umožní snadnou aplikaci na sliznici ústní dutiny, a přitom mají vysokou účinnost. Magnetické nanočástice jsou využívány při analýze krve, moči a jiných tělních tekutin, pro urychlení separace buněk a zlepšení jejich rozlišení. Byly vyvinuty fluorescenční částice, které tvoří základ nových detekčních technologií pro analýzu infekčních a genetických chorob a pro výzkum léčiv. V současnosti probíhá výzkum využití pěny z nanotrubek jako materiálu pro kostní implantáty. Pěna by se vpravila přímo do kostí, čímž by získaly vysokou pevnost a zabránilo by se tak jejich zlomeninám. Podstatu tvoří náhrada kolagenu trubičkami, na nichž by se mineralizovala anorganická složka kostí (hydroxyapatit). Trubičky ale musí být obohaceny o sloučeniny fosforu a síry, aby se
53
na ně sloučenina mohla navázat. Otázkou však nadále zůstávají možné toxické účinky trubiček v lidském těle, proto se provádí testy a pokusy s upravenými trubičkami nebo obohacenými o vhodné látky tak, aby je tělo přijalo. 2.5 Nanotextilie Příkladem dalšího využití nanostruktur může být výroba nemačkavých a nešpinících se bavlněných tkanin nebo rámů tenisových raket, které jsou zpevněny uhlíkovými nanotrubičkami. Česká republika má konkrétní zásluhy v oblasti přípravy nanotextilií. Na Technické univerzitě v Liberci vyvinuli odborníci jako jedni z prvních na světě technologii pro hromadnou výrobu vláken tloušťky 200 nm. Na obr. 32 je porovnán s těmito vlákny lidský vlas. Univerzita ve spolupráci s libereckou firmou Elmarco vytvořila i prototyp stroje pro výrobu netkaných nanovláknových textilií. Výrobní technologie nazvaná Nanospider je založena na principu zvlákňování vodných roztoků polymerů bez použití chemických rozpouštědel v silném elektrickém poli. Z těchto vláken se dají vyrábět lehké, tenké a současně pevné textilie, které jsou porézní, přitom jejich póry jsou dostatečně malé na to, aby jimi mohly projít bakterie či viry. Tyto textilie tak mají vysokou filtrační schopnost a lze je použít pro výrobu superfiltračních textilií použitelných v laboratořích, chirurgických sálech apod. V medicíně se dají tak využít ke krytí ran. Jejich struktura je totiž velmi podobná struktuře buněčné hmoty lidské tkáně. Látka propouští kyslík, brání ve vstupu bakteriím, umožňuje odvádění zánětlivého výtoku z krevních a mízních cest a na její povrch lze navázat antibakteriální a hojení
54
urychlující léčiva. Kromě toho mohou být tyto látky využity pro rekonstrukci kůže, kostí, cév, svalů i nervové tkáně, doručování a řízené uvolňování léčiv či buněk. Výborné jsou schopnosti nanotextilií absorbovat zvuk, což je použitelné pro odhlučňování interiérů automobilů, letadel či ve stavebnictví. O nanotextiliích se aktuálně hovoří v souvislosti s ptačí chřipkou. Virus patří do skupiny ortomixovirů, jejichž genetická informace je uložena v bílkovinném obalu. Rozměry těchto virů se pohybují kolem 100 nm, nemohou tedy projít přes strukturu nanotextilí, jejichž póry mají velikost pouze několika nanometrů. Roušky vyrobené z nanovláken by nás tak ochránily před kapénkovým přenosem infekce.
Obr. 32 Porovnání nanovláken s lidským vlasem (http://www.hemcon.com)
Firma Nanosilver již uvedla na český trh speciální ponožky s vlákny
obsahujícími
nanočástice 55
stříbra,
které
působí
antibakteriálně. Ovlivňují látkovou výměnu bakterií, mají též fungicidní účinky. Částice pronikne přímo do bakterie a reaguje se skupinami oxidačních metabolických enzymů bakterie, a tím dojde k udušení bakterie. Na rozdíl od klasických antibiotik nezískávají bakterie vůči částečkám stříbra odolnost. Antibakteriální účinky nanočástic stříbra se dají využívat i v jiných oblastech medicíny, např. pro dezinfekci lékařských nástrojů. U těch ale bývá často problém se složitými tvary, do jejichž zářezů by se částice samy od sebe nedostaly. Proto vědci spojili dohromady nanočástice stříbra (s antibakteriálními účinky) a magnetické nanočástice (snadno zaveditelné do libovolného místa pomocí magnetického pole) a vytvořili tak nanostrukturu, která při správném provedení zlepší účinnost dezinfekce.
56
3 Budoucnost nanotechnologií Výzkum nanotechnologií v současnosti probíhá ve všech průmyslově vyspělých státech světa. Postupně dochází k přechodu od teoretických poznatků ze základního výzkumu k praktickému uplatnění nanotechnologií. V nejbližší budoucnosti (v horizontu 5 let) se uplatní projekty, které se v současnosti úspěšně realizují v oblastí nanokompozitních materiálů, nanotrubiček a nanočástic, v oblasti nanomedicíny, elektroniky a péče o životní prostředí. Intenzivně se ověřuje využití kvantových teček ke sledování biologických procesů. Usnadnilo by se tak testování protilátek či DNA. Nanoprášky mají slibnou budoucnost jako katalyzátory chemických reakcí. Nanočástice se budou používat také k čištění vod. Automobilový průmysl zkoumá možnost využití polymerních nanokompozitů na výrobu dílů, které mají mít malou hmotnost a přitom vysokou pevnost. Stále více se budou používat nanomateriály v otěruvzdorných a korozivzdorných povlacích a nové keramické materiály pro výrobu vodních trysek, injektorů, opláštění strojních systémů či povlékání elektrod v energetických zařízeních. V elektronice se mohou nahrazovat současné logické obvody optickými spoji. Nanotrubičky budou využívány pro výrobu pružných obrazovek, displejů a velkokapacitních pamětí. V energetice pak pro uskladňování vodíku pro palivové články. Z hlediska dlouhodobé perspektivy jsou hlavním kandidátem uplatnění výsledků výzkumu v oblasti nanotechnologií informační a komunikační technologie, jež nahradí stávající mikroelektroniku nanoelektronikou. Zde sehrají významnou roli uhlíkové nanotrubičky a fullereny. Dá se očekávat, že se budou rozvíjet metody výroby
57
tenkých nanodrátků do nanosenzorů (např. pro detekci chemických a biologicky nebezpečných látek). Velké naděje se vkládají do budoucího využití tzv. extrémní nanotechnologie, která zahrnuje manipulaci s atomy a molekulami. Jde o samoreplikující se a samosestavující se systémy, jež mohou mít uplatnění v elektronice nebo lékařství. Nanomateriály s vylepšenými vlastnostmi se budou používat při vysoce účinné katalýze v chemických procesech, při přeměně energie ve fotovoltaických a palivových článcích, biokonverzi energie či zpracování odpadů a kontrole ovzduší. Pozadu nezůstane ani nanomedicína. Zde se budou dále vyvíjet nová diagnostická zařízení, terapeutika, způsoby transportu léků nebo biokompatibilní materiály pro implantáty a protézy.
58
4 Závěr Interdisciplinární charakter nanotechnologií vyžaduje hlubokou znalost daného vědního oboru, současně však i schopnost orientace v jiných disciplínách. Nutnou podmínkou je umět spolupracovat v týmu a propojovat a aplikovat všechny získané poznatky do praxe. V poslední době dochází k stále větší popularizaci nanotechnologií. Vznikají nejrůznější internetové stránky a dokumenty zaměřené na nanotechnologie. Z tohoto důvodu jsme považovali za vhodné zpracovat tento text, který bude určen studentům VOŠ Elektro v Olomouci.
59
Literatura [1] Feynman, R.P. „There's plenty of room at the bottom (data storage)“. Journal of Microelectromechanical Systems 1 (1), 1992, 60–66. Reprint přednášky. [2] Taniguchi, N.: On the Basis Koncept of Nanotechnology. Proc. Int. Conf. On Production Engineering, part 2, JSPE, Tokyo 1974. [3] Drexler,
K.E:
Nanosystems
–
Molecular
Machinery,
Manufacturing and Production Engineering. J. Wiley and Sons., Inc., New York 1992. [4] Drexler, K.E.: Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor Books, New York, 1986 [5] Kubínek, R., Vůjtek, M., Mašláň, M.: Mikroskopie skenující sondou. Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc 2003. [6] Poole Jr., Ch.P., Owens, F.J.: Introduction to Nanotechnology, Willey Interscience, Hobojem, New York 2003. [7] Kubínek, R.: Výukové materiály pro výuku biologické fyziky (část biomechanika) [8] Halliday, D., Resnik, R., Walker, J.: Moderní fyzika (část 5). VUTIUM a Prometheus, Praha 2000. [9] Hoenlein, W. at all Carbon nanotubes for microelectronics: status and future prospects. Materials Science and Engineering: C Volume 23, Issues 6–8, 15 December 2003, Pages 663–669 [10] Weiss, Z., Simka‐Martynková, G., Šustai, O.: Nanostruktura uhlíkatých materiálů. Repronis, Ostrava 2005. [11] Liu, X.L., Lee C., Zhou, C.W., Han, J.: Carbon nanotube field effect inverters. Appl. Phys. Lett. 79, 2001. [12] Feynman, R. P.: Engineering and Science 23, 22, 1960.
60
[13] An‐Hui Lu, Salabas, E.L., Ferdi Schuth: Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Protection, Functionalization and Application. Angewandte Chemie 46, 2007. [14] Prnka,
T.,
Šterlink,
K.:
Bionanotechnologie,
Nanobiotechnologie, Nanomedicína. Repronis, Ostrava 2006. [15] Jellinek, J. ‐ Nanoalloys: tuning properties and characteristics through size and composition. Faraday Discuss. , 2008, 138, 11‐35 [16] Nanogenerators: Researchers Convert Mechanical Energy to Electrical Energy for Self‐Powered Nanoscale Devices For Immediate
Release
April
13,
2006
(http://gtresearchnews.gatech.edu/newsrelease/nanogenerat or.htm)
61
doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc. Mgr. Milan Vůjtek, Ph.D.
Nanotechnologie
Výkonný redaktor prof. RNDr. Zdeněk Dvořák, DrSc. et Ph.D. Odpovědná redaktorka Vendula Drozdová Technická redakce autor Návrh a grafické zpracování obálky Jiří Jurečka Publikace ve vydavatelství neprošla technickou ani jazykovou redakční úpravou Vydala a vytiskla Univerzita Palackého v Olomouci Křížkovského 8, 771 47 Olomouc www.vydavatelstvi.upol.cz www.e‐shop.upol.cz
[email protected] 1. vydání Olomouc 2014 Ediční řada – Studijní opora ISBN 978‐80‐244‐4008‐8 Neprodejná publikace
vup 2014/147
