PRINCIPY ZAŘÍZENÍ PRO FYZIKÁLNÍ TECHNOLOGIE (FSI-TPZ-A) GARANT PŘEDMĚTU: Prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (ÚFI) VYUČUJÍCÍ PŘEDMĚTU: Prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc., Ing. Stanislav Voborný, Ph.D. (ÚFI) JAZYK VÝUKY: angličtina TYP A ROZSAH VÝUKY: 2 hodiny přednášek a 1 hodina cvičení týdně ZPŮSOBY HODNOCENÍ: zápočet a (písemná a ústní) zkouška PREREKVIZITY: Atomová fyzika, Fyzika pevných látek, Kvantová fyzika, Statistická fyzika a termodynamika, Fyzika a technika vakua. VÝSTUPY VÝUKY A KOMPETENCE: Předmět se zaměřuje na vysvětlení fyzikálních principů pokročilých technologií zaměřených na depozici tenkých vrstev,multivrstev a povlaků, leptání, legování, žíhání materiálů a přípravu nanostruktur, především v podmínkách vakua. ANOTACE: Úvod do fyzikálních technologií (Charakteristika a přehled vybraných fyzikálních technologií. Využití fyzikálních technologií v průmyslu). Principy fyzikálních technologií a technologických zařízení. Zdroje elektronů: parametry a výpočet zdrojů elektronů. Zdroje iontů: parametry a výpočet zdrojů iontů. Prvky elektronových a iontových optických systémů. Plazma jako zdroj chemicky aktivních částic. Zdroje fotonů, optické systémy. Zdroje atomů a molekul. Interakce částic s látkou (elektrony, ionty, fotony, neutrální částice). Principy růstu vrstev. Fyzikální technologie. Depozice tenkých vrstev a povlaků, tvorba nanostruktur (napařování, CVD, PECVD, naprašování, přímá depozice aj.). Leptání povrchů, tenkých vrstev a povlaků (chemické leptání, plazmatické a iontové leptání). Epitaxe. Legování (difúze, iontová implantace). „Promíchávání“ atomů iontovými svazky. Žíhání elektronovým a laserovým svazkem. Litografické metody. Analýza povrchů a tenkých vrstev - přehled. Nové trendy v pokročilých materiálových technologiích. Použití jednotlivých metod (STM, AFM, TEM, SEM AES, RBS, SIMS, XPS, LEED, RHEED, aj.).
PODROBNÝ OBSAH PŘEDMĚTU
Lekce I – Úvod do fyzikálních technologií • Přehled a charakteristika vybraných fyzikálních technologií a analytických metod o morfologie povrchu (TEM, SEM, SPM) o složení povrchu (AS, RBS, LEIS, SIMS, XPS, TDS) o struktura povrchu (LEED, RHEED, SPM) o optické, elektrické a magnetické vlastnosti (VIS/IR spektroskopie, elipsometrie, PL, GMR, MOKE)
• Aplikace fyzikálních technologií: od povrchů k nanotechnologiím o Depozice tenkých vrstev (PVD, CVD) o Leptání tenkých vrstev o Litografie (EBL, VIS/UV fotolitografie, FIB, AFM litografie) o Nanotechnologie Lekce II – Principy a nástroje fyzikálních technologií Část 1: Zdroje elektronových svazků • Emise elektronů o výstupní práce, závislost na teplotě a intenzitě elektrického pole o termální emise (Richardsonův vztah) o tunelový jev o studená emise (Fowlerův-Nordheimův vztah) o Childův-Langmuirův zákon o emisní proud o katody (funkce, typy, materiály, pracovní teploty) • Extrakce a formování elektronových svazků o Jas o Langmuirův limit o Lambertův zákon o parametry elektronových svazků o Helmholtzův-Lagrangeův teorém, analogie s Fermatovým principem o křižiště svazku, odvození vztahu o perveance • Aberace v částicové optice o sférická vada o barevná vada o astigmatismus o difrakční vada o výsledná aberace elektronově-optického systému • Konstrukční řešení zdrojů elektronových svazků o konstrukce, vlastnosti, parametry o příklady elektronových zdrojů (Telefocus gun, Gradient gun, Pierce gun, LEED) Část 2: Zdroje iontových svazků • Způsoby přípravy iontů o účinný průřez (definice, význam, závislosti na energii a koncentraci pro různé plyny, ionizační práh) o • Elektronově srážkové iontové zdroje o konstrukce, vlastnosti, parametry o příklady iontových zdrojů (Bayard-Alpertova měrka, Nielsen-Finkelstein, ISE 100 Omicron, NT 1403) • Plazma
•
• • •
o definice, vlastnosti, vznik plazmatu o Debyeova délka (význam, odvození, velikost) o potenciál plazmatu, plovoucí potenciál o difúze elektronů (difúzní koeficient, Bohmova difúze) o koncentrace iontů na okraji plazmatu (plasma sheath) Extrakce iontů z plazmatu o plazmatický meniskus o proud iontů z plazmatu o perveance plazmatického iontového zdroje Extrakce a formování iontových svazků Parametry iontových svazků (jas, profil proudové hustoty, křižiště svazku) Plazmatické iontové zdroje o příklady plazmatických iontových zdrojů (Penning, Metzinger-Wahlin (Colutron), saddle-field, duoplazmatron, HF, ECR) o typické parametry iontových zdrojů
Část 3: Zdroje atomových a molekulárních svazků • Rozdělení atomových zdrojů • Efúze plynu • Úhlové rozdělení toku částic ze štěrbiny o střední volná dráha o účinný průřez srážky o tok částic z atomárního zdroje • Vyzařovací diagram zdrojů svazků neutrálních částic • Kolimátor (vliv na atomární svazek, konstrukce) • Zdroje svazků o termální energii o Efúzní cela (princip funkce, konstrukce, typické parametry, aplikace) o Supersonický atomární zdroj (princip funkce, aplikace) o Zdroje svazků vyšších a vysokých energií (aplikace) Lekce III – Základy částicové optiky • • • • • • •
Analogie mezi částicovou a geometrickou optikou Laplaceova rovnice Paraxiální rovnice trajektorie (aberace, význam 1. a 2. derivace v rovnici) Funkce čoček v částicové optice (diafragma, imerzní čočka, unipotenciální čočka) Analytické metody v částicové optice (paraxiální přiblížení) Částice v magnetickém poli Schéma jednoduchého částicově optického systému (elektrony, ionty), průběh potenciálu na ose • Počítačová simulace iontových svazků (SIMION) • Prostorový náboj
Lekce IV – Interakce částic s pevnými látkami • Interakce elektronů a iontů s povrchy pevných látek o fyzikální podstata interakce o částice uvolněné při interakcích • Rozptyl (zpětný, dopředný) • Odprašování • Kanálování • Interakční spektra Lekce V – Nové trendy ve fyzikálních technologiích • Novinky v oblasti fyzikálních technologií
CVIČENÍ Výpočetní cvičení 1. téma: Výpočet emise elektronů z horké katody, odvození Richardsonova vztahu. 2. téma: Childův-Langmuirův zákon, odvození vztahu. 3. téma: Základní parametry elektronových/iontových svazků (jas, Lambertův zákon, proudová hustota, …). 3. téma: Základní vlastnosti plazmatu, odvození Debyeovy délky. 4. téma: Částicová optika, odvození paraxiální rovnice trajektorie a její řešení. Společná laboratorní cvičení demonstrující platnost fyzikálních zákonů v oblasti fyzikálních technologií – prezentace formou ukázky, instrukce k problematice a) b) c) d) e) f)
Pohyb elektronů v magnetickém a elektrickém poli Fotovoltaický kolektor – vyzařování těles RLC obvody Vibrace struny Poissonova konstanta Dynamika těles/Nakloněná rovina
CVIČENÍ S PODPOROU POČÍTAČE 1. téma: Seznámení s programem Simion 8. Vzorový příklad simulace jednoduchého iontově/elektronově optického systému.
2. téma: Princip metody výpočtu polí a trajektorií nabitých částic v programu Simion. Metoda konečných diferencí. 3. téma: Popis ovládání programu Simion, tvorba modelu, trasování nabitých částic modelem, zpracování vypočítaných výsledků. 4. téma: Zadání semestrální práce – model jednoduchého iontově/elektronově optického systému, konzultace při vypracování práce.
ZÁKLADNÍ LITERATURA: I. BRODIE, J. J. MURAY: The Physics of Micro/Nano-Fabrication, Plenum Press, New York 1992. F. F. CHEN: Úvod do fyziky plazmatu, Academia, Praha 1984. L. VÁLYI: Atom and Ion Sources, Akadémiai Kiadó, Budapest 1977. S. VOBORNÝ: MATERIÁL DO PRAKTIKA PŘEDMĚTU PRINCIPY ZAŘÍZENÍ PRO FYZIKÁLNÍ TECHNOLOGIE, ELEKTRONICKÝ STUDIJNÍ TEXT, BRNO 2014/2015.
DALŠÍ DOPORUČENÁ LITERATURA: L. ECKERTOVÁ: Fyzikální elektronika pevných látek, Karolinum, Praha 1992. L. ECKERTOVÁ: Fyzika tenkých vrstev, SNTL, Praha 1973. L. ECKERTOVÁ: Elektronika povrchů, SPN, Praha 1983. J. C. RIVIERE: Surface Analytical Techniques, Clarendon Press, Oxford 1990. D. HALLIDAY, R. RESNICK, J. WALKER: Fyzika. (2. přepracované vydání.) VUTIUM, Brno 2013.
Předmět je inovován s podporou projektu „Inovace mezioborového studia přírodních věd a inženýrství“ (CZ.1.07/2.2.00/28.0250).
