Přednášky pro ČVUT, obor Fyzikální inženýrství, zaměření Fyzika nanostruktur (organizuje prof. Pavel Fiala, KFE FJFI ČVUT)
Vybrané kapitoly z nanoelektroniky (koordinuje doc. E. Hulicius, FZÚ AV ČR, v.v.i.) Třetí ročník bakalářského studia, nepovinný předmět, letní semestr 2011/12 (to jest od února do června 2012), klasifikovaný zápočet (podle kvality a prezentace sem. práce). Přednášející může do zahájení semestru vypsat 0-3 témata ze svého oboru, ze kterých si studenti vyberou a zpracují je pod dohledem dotyčného přednašeče formou seminární práce (asi 5-15 str./obr v power pointu.) a přednesou kolegům během posledního termínu a za to obdrží klasifikovaný zápočet. 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.
Přednášky pracovníků FZÚ AV ČR v. v. i. z oborů ve kterých aktivně pracují. První část - 9 dvouhodinových obecnějších přednášek a druhá část materiálově specializované hodinové přednášky – 6 přednášek ve třech blocích po dvou hodinách: dvouhodinovky: 1. Nanotechnologie obecně a nanostruktury z AIIIBV materiálů - kvantové jámy a tečky Eduard Hulicius, doc., Ing., CSc. Nano-objekty: proč takový boom, k čemu slouží, jak se připravují, poznatky z evropské expertní poradní skupiny pro financování výzkumu NANO- pro léta 2010 – 2015. 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 struktur. Růst QW, QWr, QD a kaskádových struktur. Stručná historie vývoje obou technologií. 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-
2. Nanostruktury pro kvantové jevy Pavel Středa, Ing., DrSc. Základní vlastnosti elektronů: Elektron jako vlnový balík, koherenční délka a spin, relativistický původ spinu, spin-orbitální vazba. Vliv velikosti systémů na elektronové vlastnosti: Rozměrové kvantování, systémy makroskopické, mezoskopické a mikroskopické, vliv teploty.
Elektronový transport: Ekvivalence lineární odezvy na dynamické a statistické síly, Einsteinova relace, konduktance a elektrický odpor, transport balistickým kanálem, vliv interference, disipace energie. Vliv magnetického pole na vlastnosti elektronů: Fáze vlnové funkce ve slabých polích, kvantování energetického spektra, Blochovy elektrony v silných magnetických polích, Hallův jev jako odezva na gradient chemického potenciálu, kvantový Hallův jev. S. Datta: Electronic transport in mesoscopic systems, Cambridge University Press 1995
Novější literatura? 3. 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. Optické vlastnosti kvantových teček. 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
4. Transport v nanostrukturách Jiří J. Mareš, RNDr., CSc. Základní transportní mechanismy, aktivovaný transport, tunelování vibrující bariérou, přeskoková vodivost. Aharonov-Bohmův jev, slabá lokalizace, magnetické scvrkávání vlnové funkce elektronu. Elektrostatické stínění v nízkodimenzionálních strukturách, Coulombická blokáda. P. Y. Yu and M. Cardona, "Fundamentals of Semiconductors" (3rd Edition, Springer Verlag, Heidelberg, 2003)
5. Mikroskopová nanocharakterizace (STM, AFM), nanomanipulace, nanolitografie Antonín Fejfar, RNDr., CSc. Principy rastrovací sondové mikroskopie (SPM). Instrumentace: Skenery, vibrační izolace a ochrana mikroskopu před dalšími externími vlivy. Detekce polohy hrotu a interakce hrotu se vzorkem. Módy SPM: Rastrovací tunelovací mikroskopie (STM), mikroskopie magnetických sil (MFM), elektrostatických sil (EFM), kapacitní mikroskopie (SCM), mikroskopie optického blízkého pole (SNOM). Aktivní vytváření nanostruktur a manipulace: Manipulace atomy a molekulami. Nanostrukturní stavebnice. Nanolitografie. Nanoindentace a další. Nanomanipulátory. Kombinace: Spojení s rastrovacím elektronovým mikroskopem, spojení s optickými spektroskopickými metodami (mikroRamanovská spektroskopie, luminiscenční spektroskopie). Příklady použití: Nanostruktury pro fotoniku, pro solární články a další.
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, available as pdf
6. Spinotronika Tomáš Jungwirth, prof., PhD Příklady využití: magnetické senzory, magnetické operační paměti. Základní prvky: spintronický odpor, dioda, fotočlánek a tranzistor. 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. Literatura? 7. Počítačové simulace nanosystémů Pavel Jelínek, Ing., PhD Úvod do problematiky počítačových simulací: Základní přehled dostupných simulačních metod, jejich vzájemné porovnání a oblasti použití pro simulace nanostruktur. Výpočty elektronové struktury z prvních principů (tzv. ab initio metody) založené na metodě DFT (Density Functional Theory). Příklady DFT simulací: Fyzikální a materiálové vlastnosti kovových nanokontaktů při deformaci. Atomární manipulace na površích pomocí nc-AFM (non-contact Atomic Force Microscope). Výpočty elektronové struktury povrchů, interpretace STM (Scanning Tunnelling Microscope) obrázků.
I. Nezbeda, J. Kolafa, M. Kotrla, Úvod do počítačových simulací: Metody Monte Carlo a molekulární dynamiky, Karolinum 2003 W.Koch, M.C. Holthausen, A Chemist's Guide to Density Functional Theory, Wiley-VCH (2002), ISBN 3527-30422-3
8. Nanorizika Dušan Nohavica, Ing, CSc (ÚFE –
[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. Literatura: 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).
hodinovky: 9a. Uhlíkové grafenové struktury, příprava, vlastnosti, aplikace Ludvík Smrčka, Ing., DrSc. Fulleren, uhlíkové nanotrubičky a grafen-jejich základní stavební kámen. Příprava vzorků, grafitový transistor řízený polem. Dvojrozměrný plyn Diracových fermionů s nulovou hmotou v grafenu. Elektronový plyn vázaný v dvojrozměrných polovodičových strukturách vykazuje řadu kvantových
transportních vlastností z nichž nejznámější jsou kvantový Hallův jev a zlomkový kvantový Hallův jev. Grafen, jedna isolovaná atomová vrstva uhlíku, by měla představovat ideální realizaci 2D plynu. Vzhledem k unikátní polokovové elektronové struktuře grafenu, kdy spektrum elektronů i děr tvoří kužele dotýkající se vrcholy (ďábelský nebo Diracův bod), je všechno jinak, např. kvantový Hallův jev je poločíselný. cond-mat/0602565 , cond-mat/0509330
a 9b. 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. D. Das, R.N. Singh, International Materials Reviews 52/1 (2007) 29. J.E. Butler, Y.A. Mankelevich, A. Cheesman, J. Ma, M.N.R. Ashfold, Journal of Physics-Condensed Matter 21/36 (2009)
10a. 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). E.Smith, G. Dent: Modern Raman Spectroscopy – A Practical Approach. Wiley & Sons Ltd. UK, 2005
a 10b. 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 klastry, vysvětlení dielektrických anomálií a obrovské piezoelektřiny. Nanokompozity: Teorie středního pole, efektivní permitivita, výpočet dielektrického tenzoru v nanoklastrech.
S. Kamba, M. Kempa, V. Bovtun, J. Petzelt, K. Brikman, N. Setter, Soft and central mode behaviour in PbMg1/3Nb2/3O3 relaxor ferroelektrics, J. Phys.: Condens. Matter 17, 3965-3974 (2005) R. Waser, Nanoelectronics and information technology, Wiley-VCH, 2003, str. 31-78, 527-590 J. Petzelt, I. Rychetský, Effective dielectric function in high-permittivity ceramics and thin films. Ferroelectrics 316, 89-95 (2005)
11a. Nanokrystalický křemík, příprava a charakterizace Jan Kočka, RNDr., DrSc./ Martin Ledinský RNDr., PhD. Úvod a příprava. V této části přednášky bude na příkladu křemíku demonstrováno, jaké změny způsobí ztráta translační symetrie, tj. přechod od monokrystalického Si přes Si porézní k amorfnímu, mikro a nano-krystalickému Si a jaké nové vlastnosti to přináší. Bude popsán základní způsob přípravy těchto materiálů, zejména technika PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Charakterizace. V druhé části budou na několika sériích vzorků tenkých vrstev Si dokumentovány charakteristické rysy přechodu z amorfní do nanokrystalické fáze Si a jak
k jejich pochopení významně přispívají kombinované AFM (Atomic Force Microscope) metody, např. paralelně měřená topografie a mapa lokálních proudů v nanometrové škále.
Amorphous and Microcrystalline Silicon Solar Cells, Schropp/Zeman, Kluwer Academic Publishers (1998) J. Kočka, A. Fejfar, T. Mates, P. Fojtík, K. Dohnalová, K. Luterová, J. Stuchlík, H. Stuchlíková, I. Pelant, B. Rezek, A. Stemmer, M. Ito, phys. stat. sol. (c) 1 (2004) 1097
a 11b. Nanokompozitní magnetika pro biomedicinální aplikace Emil Pollert, doc., Ing., DrSc. Nanokompozitní magnetika - hybridní materiály skládající se obecně z magnetického jádra a biokompatibilního nízko- nebo makromolekulárního obalu, umožňujícího cíleně navázat na povrch další biologicky aktivní látky. Základní možnosti a principy jejich použití, s tím související požadavky kladené na vlastnosti těchto materiálů (magneticky podporovaná separace, cílený transport léků krevním systémem, kontrastní látky pro zobrazovací magnetickou rezonanci, lokální destrukce rakovinných nádorů magnetickou hypertermií). Typy magnetických jader, krystalová struktura, magnetické vlastnosti. Syntéza magnetických jader a modifikace jejich povrchu. Základní charakterizační metody (rentgenová analýza, transmisní elektronová mikroskopie, magnetometrie) s ohledem na magnetická oxidová jádra. Search of new core materials for magnetic fluid hyperthermia: Preliminary chemical and physical issues, E. Pollert, P. Veverka, M. Veverka, O. Kaman, K. Zaveta, S. Vasseu, R. Epherre, G. Goglio, E. Duguet, Progress in Solid State Chemistry 37 (2009) 14 New Tc-tuned magnetic nanoparticles for self-controlled hyperthermia, E. Pollert, K. Knızek, M. Marysko, P. Kaspar, S. Vasseur, E. Duguet, J. of Magnetism and Magnetic Materials 316 (2007) 122
12) Referáty studentů po 15 - 30 minutách
Pokud by někdo nemohl, dejte mi prosím, rychle vědět. Témata semestrálních prací jsou už jasna A. Kromka nanodiamanty a I. Richter FJFI nano-opály. Dvouhodinovky 13.2. – 17.2. – E. Hulicius
1
hotovo
19.3. 16:00 – 17:40 19.3. 17:45 – 19:25
P. Středa J. Oswald
2 3
26.3. 16:00 – 17:40 26.3. 17:45 – 19:25
J. J. Mareš A. Fejfar
4 5
23.4. 16:00 – 17:40 23.4. 17:45 – 19:25
T. Jungwirth P. Jelínek
6 7
30.4. 16:00 – 17:40
D. Nohavica
8
Hodinovky 30.4. 17:45 – 18:35 30.4. 18:40 – 19:30
L. Smrčka A. Kromka
9a 9b
7.5. 7.5. 7.5. 7.5.
I. Gregora S. Kamba J. Kočka E. Pollert
10a 10b 11a 11b
16:00 – 16:50 16:55 – 17:45 17:50 – 18:40 18:45 – 19:35
Dvě hodiny na: květen/červen.
- Seminář Pokud si všichni studenti nebudou silně přát jiný termín.
9.4. Velikonoce, Pozor 1.5. a 8.5. je úterý. 16. 5. rektorský den
Příklady témat semestrálních prací z Vybraných kapitol z nanoelektroniky 2011 Blok E. Huliciuse (
[email protected]) (a badatelů z Fyzikálního ústavu AV ČR, Praha 6, Cukrovarnická 10; e-mail je: jmeno.přímení@fzu.cz Kočka: Netradiční formy křemíku, zajímavé pro nanoelektroniku. Hulicius: a) Struktury pro negativní luminiscenci - princip, aplikace. b) Nanostruktury pro polovodičové lasery a LED-ky. c) Detektory a fotovoltaické materiály s kvantovými tečkami. d) Kvantové tečky v polovodičových součástkách. Cháb: Lokální hustota stavů v reálném prostoru a její experimentální určení. Aplikace na povrchy polovodičů. P. Jelínek: Výpočty elektronové a atomární struktury nanosystemů pomocí funkcionálu hustoty (DFT). Kromka: a) Nanokrystalické diamantové tenké vrstvy pro (bio) senzorické aplikace. b) Technologie růstu diamantových vrstev a jejich plazmatické strukturování. c) Strategie tvorby diamantových nanostruktur a jejich použití. Fejfar: Co mohou přinést nové výzkumné směry využití sluneční energie? Gregora: Ramanova Spektroskopie pro nanostruktury. Nohavica: a) Filtry výfukových plynů u automobilů s Dieselovými motory. b) Kontaminace životního prostředí nanotechnologickými odpady. c) Antibakteriální působení vybraných nanočástic. A kdo chce, může oslovit libovolného zajímavého přednašeče a domluvit se s ním.
Ke studentům: Volte si témata blízká vašemu zaměření i zálibám. Nebojte se i vícekrát konzultovat se zadavateli. Prezentace (vaše přednáška) toho co se dočtete v doporučených článcích, nebo co sami zjistíte na Internetu je velmi důležitou částí vaší práce. Bude striktně časově omezena (15 min. plus pět minut na diskusi, to jest asi 5 - 15 průsvitek). Hlavní smysl vaší přednášky je, že dokážete srozumitelně poučit vaše kolegy o zvoleném tématu, proto se musí uskutečnit ve vymezených termínech a před co největším auditoriem kolegů! Termíny prezentací jsou určeny takto: 16.5. – 20.5. - Rezerva, příprava na seminář, případně předtermín, pokud by někdo zoufale nemohl v následujícím termínu (a nebyla náhradní přednáška).
23.5. – 27.5.
- Seminář
K přednášejícím: Témata na semestrální práce z 12VKN 2011 by neměla být vypisována jako pouhý překlad jednoho článku! Minimálně kompilát ze tří podkladů, lépe ovšem něco jako mini bakalářka (přesněji její 1. část „State of art“) s miniobhajobou. Každý přednášející by měl být přítomen obhajobě jím zadané práce.
