Aplikovane´ nanotechnologie -...

Katedra experimentalnı fyzikyUniverzita Palackeho v Olomouci

Nanotechnologie

Prezentace k prednasce

Aplikovanenanotechnologie

Metody tvorby nanostrukturNanometrologie

NanomanipulaceAplikace zakladnıch nanosystemuNanoelektronika

Aplikovane nanotechnologie

NanolitografieNelitograficke techniky

Vyuzitı SPMBottom-up techniky

Metody tvorby nanostruktur

fyzikalnı techniky: vetsinou top-down metodychemicke techniky: vetsinou bottom-up metodykombinovane techniky: vyuzıvajı jak chemicke, tak fyzikalnıpusobenımetody bud’ obecne, nebo specificke pro dany vzorek (slozenı,orientace)

Delenı podle ubytku/prırustkusubtraktivnı technikyaditivnı techniky

Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 2



Poznamky k tvorbe nanostruktur

tvorba uzitecnych nanostruktur vyzaduje spojenı s mikrookolımpropracovanejsı u top-down technik

u nanoobjektu je treba zohlednovat charakter chemickych vazebnapr. vzajemna orientace nemuze byt libovolnaexistuje hierarchie sıly vazeb

napr. vliv vdW interakce roste s rozmerem molekuly, kovalentnı vazbyjsou uz vyuzity

rozmery struktur jsou casto zaroven nejmensımi jednotkami, ktere lzenezavisle ovladatpotrebne je omezenı a rızenı stupnu volnosti samovolneho pohybustavebnıch bloku k dosazenı zadaneho usporadanı




Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem

Princip litografie

1 nanesenı vrstvy rezistu, vytvrzenı2 ozarenı pres masku3 vyvolanı obrazu4 zahratı – odstranenı rozpoustedla5 zpracovanı povrchu

planarnı technologievyuzıvana hromadne, vyroba IO





Rezisty

pozitivnı rezistozarena cast se snaze rozpoustıpolymer s velkou molarnı hmotnostısvetlo zpusobı rozpad retezcuprıklad: PMMA

M =M0

1 + gεM0ρA

negativnı rezistozarena cast ma mensı rozpustnost

citlivost rezistu – davka nutna ke zmenekontrast rezistu – rozdıl rozpustnosti, γ = 1

log D0−log D1





Subtraktivnı metoda

mokre leptanıponorenı do rozpoustedla, ktere nelepta rezistvelice jednoduche, ekonomicke, rychle, mnoho materialuizotropnı leptanı – podleptanı struktur, nepresne lateralnı rozmeryanizotropnı leptanı – pro nektere monokrystaly, napr. KOH a {111}

suche leptanıleptanı pomocı bombardovanı povrchuvytezek S = 3

4Ed

Nπ2CU , C = 1,81 nm2

IBE (ciste fyzikalnı), RIE (kombinovane s chemickou cestou)

pozn.: obetovane vrstvy





Aditivnı metoda

lift-offna vytvarovany rezist se nanese vrstva materialumusı byt nespojitarozpustı se rezist, oplachnutıjednoducha a efektivnı metodavyzaduje strme prechody a smerovou metodu depozice (i vhodnateplota)tloust’ka vrstvy mensı nez tloust’ka rezistu

elektrolyticky rustvespod je vodiva vrstva, rezist vymezı prıstupove oknopr. Ni: z roztoku NiCl2 se na katode redukuje Nitloust’ka rızena casem, Faradayuv zakon m = ItM

Fz , F = 96 500 Cjednoducha metoda, vrstvy vysoke kvalityv prıpade nanostruktur problemy s regeneracı elektrolytu





Depozice z plynne faze (CVD)

metoda vytvarenı tenkych vrstevplynna sloucenina se vhanı do reakcnı komory, kde se rozklada napovrchu podlozkycela rada technik – LPCVD, MOCVD, PACVDtypicke materialy: SiH4 pro poly-Si, SiH4 a O2 pro SiO2, WF6 pro Wpro mnoho kovu (Cu, Al) se nevyuzıvavlastnosti vrstev: jemna zrna, vysoka cistota, nepropustne





Epitaxe pomocı molekularnıch svazku (MBE)

evaporace materialu (sublimace) ve vakuu 10−8 Pa (λ > d)jednotlive cely (Knudsen, Langmuir) majı uzaverkykontrola pomocı RHEEDatomy epitaxne rostou na podlozcerychlost µm/h, monovrstva 1–5 svysoka kvalita vrstev, lze rıdit slozenıpodlozka muze byt zahrata, chlazenarotace pro lepsı homogenituATG nestabilita vrstev – vznik ostruvku





Kontaktnı litografie

charakterizace podle pouzite interakceparalelnı a sekvencnıparametry:

1 rozlisenı2 rychlost zapisu

blızka a kontaktnı litografie: 2bmin = 3√λ(s + e

2

)rozlisenı horsı vlivem rezistunejvyssı pro s = 0, ale problem s rovinnostı a zarovnanımproblemy jsou mensı pro male svyssı rozlisenı – mensı λ, nejsou problemy s optickymi prvky





Projekcnı litografie

velka vzdalenost s obchazı mechanicke problemypouzıva se opticky system projektujıcı masku na vzoreknelze zpracovat najednou cely povrch

scanning – posunuje se soucasne vzorek i maska v jednom smeru,promıta se 1:1, vyuzıva se nejlepsı oblasti opt. soustavy, maska bezredukce (draha)step-and-repeat – promıta se zmenseny elementarnı vzorek, vzorek sehybe ve dvou smerechstep-and-scan – kombinace obou

rozlisenı Lmin = kλNA , k teoreticky 0,61, NA az 0,9





Projekcnı litografie

velka vzdalenost s obchazı mechanicke problemypouzıva se opticky system projektujıcı masku na vzoreknelze zpracovat najednou cely povrch

scanning – posunuje se soucasne vzorek i maska v jednom smeru,promıta se 1:1, vyuzıva se nejlepsı oblasti opt. soustavy, maska bezredukce (draha)step-and-repeat – promıta se zmenseny elementarnı vzorek, vzorek sehybe ve dvou smerechstep-and-scan – kombinace obou

rozlisenı Lmin = kλNA , k teoreticky 0,61, NA az 0,9





Snızenı dolnı meze

ozarenı pod uhlem – posunutı difrakcnıch pıku pri ozarenı podvelkym uhlemdeformace masky – vzor na masce zohlednuje deformaci pri projekcimaska s posuvem faze – maska nemoduluje jen amplitudu, ale i fazitak, aby sousednı oblasti mely fazovy posuvpovrchove techniky – menı se pouze povrch rezisturtg litografie – snızenı λ, ale problemy s projekcı (optikou – je moznajen blızka litografie), nenı transparentnı materialextremnı UV – λ ∼ 13 nm, reflektivnı optika, soustavy z multivrstev





Litografie elektronovym svazkem (EBL)

rezist se ozaruje elektronovym svazkemrızeno pocıtacem, neexistuje maska, bez difrakcnıch omezenısekvencnı proces, repeat-and-scan rezimv podstate SEM, rezist napr. PMMAcasta aplikace:

masky pro optickou litografiitloust’ky car cca. 10 nm,lepsı rozlisenı pro izolovane objekty,vliv SE (zlepsenı – vyssı napetı,tencı rezist)primarnı elektrony se mohouodrazit od podlozky –deformace do vetsı vzdalenostimoznost interference





Litografie zaostrenym iontovym svazkem (FIB)

ionty majı mnohem vetsı energii nez elektrony, take mensı rozptylv rezistuLMI zdroj – kapalny zdroj kovovych iontu, nevyhoda: disperzeenergieruzne aplikace: litografie, depozice, tvorba defektuiont Ga+: nızka teplota tanı, vhodna hmotnost, snadno odlisitelneelektrostaticke cockyopryskavanı povrchugas assisted etching (GAE)

vpoustı se halogenovy plynzvysı tvorbu volatilnıch produktu→ doda chemickou citlivost

lze odleptat oxidy bez poskozenı vodicu





Konstrukce FIB





Srovnanı iontu a elektronu (FIB vs. SEM)





Litografie zaostrenym iontovym svazkem (FIB)

urychlenı 5–50 keV, desıtky nA, stopa jednotky nmvznik poskozene vrstvy, lze odstranit nızkoenergetickym Ar svazkem

Aplikace:ztencovanı vzorku pro TEMlokalnı depozice kov obsahujıcıch plynu (W(CO)6), ochranneobetovane vrstvyimplantace, IO – prerusenı nebo vytvorenı vodive cesty

Mikroskopielepsı citlivost k detailum typu krystalove orientace a zrnv kombinace se SEM lze zıskat 3D data





Aplikace FIB





Litografie neutralnımi atomy

svazek neutralnıch atomunetreba velke kineticke energie

chybı totiz el. interakce

stojata svetelna vlna (laser)idukovany dipol. moment atomu je

pritahovan do maximapritahovan do minima

v zavislosti na znamenku ωlaser − ωatom

modulace hustoty atomu na povrchulze vyuzıvat i jine atomove optiky




Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury

Terasy na monokrystalech

v krystalech existujı roviny s hustym obsazenımpro FCC mrızku (Au, Pt, Cu) je nejhustsı (111)rovina s uhlem θ blızkym nejhustejsı rovine:

rozdıl v orientaci do 15◦

plocha tvorena atomy ma charakter schodu (teras)vyska schodu – vzdalenost dvou krystalografickych rovinhustota a sırka schodu zavisı na θ a orientaci

n =1L

=tg θ

h

lze vyuzıt jako podklad pro prıpravu nanostrukturzıhanım lze strukturu pozmenit, cik-cak struktury





Nanoimprint

dvoustupnovy proces:

a)

b)

d)

e)

c)

formou se vytvaruje rezist (PMMA, PC)rezist se zpracuje (RIE)

pote nasleduje zpracovanı (napr. lift-off)metoda jednoducha, velmi presnahromadna produkceantiadhesivnı vrstvavtisk pri teplote nad Tg po nekolik minut,ochlazenı pod tlakempresnost zavisı na reologickych vlastnostech, η a Tg (lepsı nızka M)kvalita otisku zavisı na tloust’ce rezistu hminimalnı motiv muze byt mensı nez molekula rezistu





Three-layer nanoimprint

problemy u struktur s velkym ARtrojvrstvy proces:

do hornı vrstvy PMMA se obtiskne formapomocı RIE se prenese do PMGI vrstvy

spodnı rezist muze byt tlustsıspodnı rezist tepelne stabilnımezi rezisty je oddelujıcı vrstva kovu (Ge)lze dosahnout rızenı velikosti az do 10 nmmuze probıhat pri pokojove teplote





UV-NIL

vyuzitı UV odstranı pomalost vzniklou zahrıvanım a chlazenımnanese se monomer s katalyzatorem

��

��

��

UV

vtiskne se forma z kremenepouzije se UV zarenıv mıstech, kde je forma propustna,dojde k polymerizaciforma se oddalıvse probıha pri pokojove teplote, rychledochazı k ocist’ovanı formy





Microcontact printing

soft litografie – polydimeethylsiloxane (PDMS)silikonovy olej z –OSi(CH3)2O–

PDMS

Au

ohebny, pruhledny, chemicky inertnız PDMS se vytvorı obtisk formy

nalitı prekurzoru PDMS a katalyzatoruzahratı pro urychlenı reakce (80 ◦C, 1 h)vlastnosti lze volit pomerem slozek

namocenı PDMS razıtka do thioluobtistenı na zlaty povrch (vazba S–Au)oblasti kontaktu jsou chraneny thiolemzpracovanı Au vrstvyprıpadne zpracovanı podlozky





Microcontact printing

moznost tvorby na velkych plochach v jednom krokulze pouzıt i na zakrivene povrchymoznost rotacnıho tiskurozlisenı omezeno difuzı thiolu, asi 50 nmjine organicke molekuly (proteiny) lze tisknout na jine povrchy (sklo)oproti technikam typu EBL, FIB, CVD ci MBE umoznuje vytvarenıtvarovanych vrstev z (bio)molekul





Nanoembossing

tvorba nanostruktur na povrchu objemoveho materialuvyuzıva kulicky z polymeru (napr. PMMA):

a)

c)

b)

kulicky se nasypou na povrch formyzvrchu se stlacı deskouteplota se zvysı nad Tgpo urcite dobe se teplota snızıoddalene desky

reprodukce je velmi vernalze tvorit najednou hluboke kanaly i melke ryhyvelmi levne, aplikace: difrakcnı opticke elementymodifikace s laserem roztavenou vrstvou Si





Molding

vyuzıva se kapilarnı sılyna rovinnou PDMS podlozku, ktera obsahuje pory, se nalije kapalnypolymerkapilarnı sıla vtahuje polymer do porupolymer ztuhne a vysledna sıt’kopıruje puvodnı poryrozpustı se PDMStloust’ky 10 nmlze pouzıt pro lokalnı depozici molekul (proteiny, katalyzatory)obdobne lze vyuzıt napr. pory v membranach





Interface lithography

vytvarenı trojrozmernych struktur��

PMMA

kombinace dvou technik (dva typy rezistu)pomocı EBL se vytvorı zavesena strukturapote se pomocı rtg litografie vytvorısloupcova struktura v rezistu PMMAelektrolyticky se necha vyrust kovova vyplnrtg ozarenı muze byt i sikmelze vytvorit napr. drat zaveseny na PMMAsloupcıch





Samousporadanı (SA)

self-assemblyvyuzıva nekovalentnı interakcedochazı k samovolnemu usporadanı zakladnıch jednotekzakladnı jednotky – molekuly, nanocastice, koloidy

vysledna struktura je blızka termodynamicke rovnovazeslabsı interakce→ samovolna korekce, bez defektuusporadanı pri prechodu z kapalne nebo plynne fazelze dosahnout velke vyteznosti pri relativnı jednoduchostipro vyuzitelnost je treba rozumny navrh zakladnıch jednotek:

co bude pusobit jako „lepidlo“jak se jednotky poznajı

zname prıklady: SAM, koloidnı krystaly





Zakladnı interakce

zakladnı interakceelektrostatickevodıkova vazbaπ-π interakcedisperznı sılyhydrofobnı efektykoordinacnı vazba

k usporadanı dochazı pusobenımfyzikalnım – dochazı k minimalizaci energiechemickem – dochazı ke komplementarnı vazbe





Usporadanı castic na podlozce

pusobenı kapilarnıch silbez castic bude povrch kapaliny rovnycastice jej deformujı→ lateralnı sıly

dva zakladnı prıstupy:castice plujı v kapaline,pusobı gravitacecastice castecne ponorene,pusobı smacenı

sıla pro 2 stejne casticeF ∼ R

σK1(L)F ∼ R2σK1(L)L vzdalenost casticσ povrchove napetıK1 modifikovana Besselovafunkce





Template assisted SA (TASA)

postupne vysychanı roztoku s koloidypovrch s vytvorenym vzorkemkoloidy se zachycujı na vzorkuusporadanı zavisı na geometrii nerovnostıukazka pro valcove otvory





TASA – 2D vzorek

tvar shluku zavisı na geometrickych pomerechF – sloupek uprostred, D – pro ctvercovou pyramidu





TASA – 1D vzorek

zarezy s profilem ve tvaru Vstruktura sroubovice





Self-assembled monolayers

casto alkenthiolytypicky tvar molekuly

povrchove aktivnı hlavickaalkylovy retezeckoncova cast

charakter usporadanıhexagonalnı struktura hlavicekmolekuly majı sklon ∼ 30◦ (maximalizace vdW)

X(CH2)nSH + Au0 → X(CH2)nS− + Au1 + 12 H2

pro dobrou strukturu n > 11i jine typy molekul





Prıprava SAM

velmi jednoduchadefekty:

nerovnosti podlozkypodmınky prıpravy

aplikace SAMvhodne pro nanolitografiiaplikace v molekularnı elektroniceochrana proti korozi





SAM na nanocasticıch

moznost vytvorit SAM i na zakrivenych povrsıchnavazanı na castice umoznı vznik organizovanych struktur





SA na vzorovanych povrsıch

nanolitografickou technikou se modifikuje povrch tak, abynektere oblasti byly pro zakladnı bloky „chytlave“,okolnı oblasti zakladnı bloky je nevazou

pouzije se postup ze SAve vysledku je SA vrstva lokalne modifikovanaruzne metody modifikace povrchu

elektrostaticka, zakrytı Au vrstvy





Layer-by-Layer depozice (LBL)

vyuzıva elektrostaticke interakce – vetsı moznost kontrolynanası latku na pevny povrch





Filmy Langmuira-Blodgettove

mono ci vıcevrstvy amfifilnıch molekul prenesene z rozhranıkapalina–plyn na pevnou podlozkuna povrch kapaliny se nakapne roztok molekulvytvorı se monovrstva (prıpadne se stlacı)skrze vrstvu se protahne podlozkapri vytahovanı podlozky se molekuly prichytıvznikajı 2 monovrstvy na podlozceopakovanym ponorenım vznikajı vıcevrstvy





Nanosphere lithography

tvorba periodickych objektuvytvorenı monovrstvy z tesneusporadanych casticdepozice atomuodstranenı casticmoznost masky ze dvou vrstevmodifikace pro biomolekuly

nanese se roztok sfer s molekulamisfery vytvorı usporadanı,biomolekuly vrstvu na podlozceodstranenı kulicekvznika souvisla vrstva biomolekul,prerusovana v mıstech, kontaktu kuliceks podlozkou




Atomarnı a molekularnı technikySilove techniky

Scanning probe nanolithography

vyuzıvajı radu lokalnı interakcı hrot–vzorekrozlisenı jednotky az desıtky nmprace v okolnım prostredı (bez vakua, extra cistych prostor)nevyuzıvajı masky, rızeno pocıtacemseriova podstata omezuje rychlostmohou pracovat s rezistem jako fotolitografie nebo EBL:

prostorove omezenes mensı energiıstacı mensı tloust’ka rezistulze kombinovat velke plochy FL, male SPM




Atomarnı a molekularnı technikySilove technikyElektricke techniky

Manipulace s atomy

moznost na atomarne hladkych povrsıch, demonstracnıSTM i AFM, vetsinou odlisne podmınky (teplota)

Xe na Ni Fe na Cu

Si(7× 7)





Manipulace Sn/Si

monoatomarnı Sn vrtsva na Si s Si defektyvertikalnı manipulace (zamenovanı atomu)doba prıpravy 1,5 hod





Chemicke reakce

pomocı STM lze iniciovat chemicke reakce (neelasticke tunelovanı)Ulmanova reakce, bezne 210–300 K, zde pri 20 K





Skrabanı povrchu

nejjednodussı technika – mechanicka deformacedotek hrotu s povrchem – dolık nebo kopecektazenı hrotu vytvorı caryruzne zpusoby: odstranenı substratu, vodnı vrstvy, nebo adherovanevrstvy, deformace substratuvysledek zavisı na polomeru hrotu, rychlosti tazenı, substratumetody: kontaktnı, poklepovatypicky ryha obklopena zvysenou vrstvoulze strukturovat rezist





Nanoshaving a nanografting

navazuje na predchozı, kontaktnı rezimodstranujı se adherovane vrstvysamousporadanych kratkych molekulnanoshaving – jen odstranenı, ryha

difuze molekul zhorsı rozlisenınanografting – v okolnım prostredı dalsımolekuly, dojde k nahrazenı

podstatny je rozdıl koncentracımoznost prototypovanı nanoobvodutotez bez kontaktu, ale s prilozenym napetım

vytrzenı molekulmeniscus force nanograftingtake odstranovanı polymernıch vrstev





Samoorganizace nanostruktur vynucena SPM

hrot skenuje (sıla > 2 nN) po vrstve z rotaxanu (bistabilnı molekuly)skenovanı dodava energii na zmenu struktury, hrot strukturynezapisujepo nekolika skenech se vytvorı usporadana struktura kulicekvelikost a rozestup dan charakteristickym delkovym merıtkemtransformacecım tencı film, tım mensı a hustejsı jsou kulicky




Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky

Lokalnı anodicka oxidace (LAO)

hrot lokalne oxiduje povrch vzorkuhrot zaporny, vznika el. poleelektrolyza vodnıho menisku dodava OH−

elektricke pole urychluje pohyb iontuvlivem nizsı hustoty oxidy vystupujıkontaktnı i poklepovy rezimvyska a tloust’ka zavisı na napetı,rychlosti, okolnı vlhkostioxidovy vzor lze i odleptat





Nanosvarovanı

vyuzıva lokalnı oxidaciuchycenı nanotrubicky k podlozceklouzave spojenı

oxid obrusta okolo trubicky

vyuzitı k slozitym manipulacım





Constructive nanolithography (CNL)

vodivy hrot zapisuje nedestruktivne chemickou informaci namonovrstvukontaktnı rezim, vodiva podlozka, vlhkosthrot oxiduje nebo redukuje a vytvarı skryty obrazobraz se vyvola chemickou interakcı s molekulami, ktere reagujı sezmenenymi koncovymi skupinami

O

−Si−O

R

O

−Si−O

R

O

−Si−O

R

O

−Si−O

R

O

−Si−O

R

Si

O

−Si−O

R

O

−Si−O

R

O

−Si−O

R

Si

O

−Si−O

O

O

−Si−O

O

O

−Si−O

R

O

−Si−O

R

O

−Si−O

R

Si

O

−Si−O

O

O

−Si−O

O

obdobne catalytic probe nanolithographybez napetıhrot obsahuje vrstvu katalyzatoru





AFM buzena elektrohydrodynamicka litografie

elektricke pole nad roztavenym polymerem vyvola nestabilituproti nı pusobı povrchove napetıpolymer se ohrıva Jouleovym teplem





Nabojovy zaznam

prilozene napetı, nedochazı k topografickym zmenaminjekce kladneho nebo zaporneho naboje do dielektrika (elektretu)muze casem vymizetprovedenı: obdoba LAO s opacnou polaritou





Dip-pen

nanometrove perohrot namocen do roztoku vhodnych molekulmeniskus mezi hrotem a vzorkem molekuly uvolnuje a prenasıuchycenı molekul na podlozcetezsı pro velke molekulyelektrochemicka dip-pen: nanoelektrochemicky reaktor, redukcekovu na substratu





Dip-pen

cela rada anorganickych materialu, i slozite magneticke slouceninyvetsinou spatne krystalickeepitaxnı rust CdS „nanoplacek“

inkoust 1 mM Cd(Ac)2 a 1 mM thioacetamidrust trojuhelnıku – shodna vyska, dve orientace nezavisle na skenovanıpodobnost mrızky slıdy a CdS→moznost epitaxestruktury odolne proti vode (prekurzory nejsou)narust vysky po 0,07–0,10 nm (bunka ∼ 0,6 nm)DPN vyhodna pro studium zacatku krystalizace na povrchu





Enzyme-Assisted Nanolithography

na hrotu je imobilizovan enzymna podlozce pod hrotem v kontaktu depozice produktu rozkladu

enzym alkalicka fosfataza, substrat BCIP and kofactor NBTtecky – nad jednim mıstem 20 s, pak rychly presuncary – pomaly presun 10 nm/sprumer asi 150 nm, teoreticky i mensı (kratsı cas), vysky 10 nm





Tepelny zaznam

podklad z termoplastickeho polymerunosnık obsahuje vodice, ktere zahrıvajı hrotkontaktnı rezimzapnutı proudu zvysı teplotu nad Tg, pusobıcı sıla mechanickydeformujepo zchladnutı zustane prohlubenzaznamove media:

ctenı – s mensım proudem, v dolıku vetsı odvod teplamazanı – zahratı celeho disku





AFM termicka litografie polymeru

u beznych „termickych“ litografiı nedochazı k chemicke zmenepolymeruPoly(tert-butyl akrylat) se nad 150 ◦C rozkladapri zpracovanı velke plochy okraje tvorı termolyzovane produkty,odtlacene lateralnı silou





Feroelektricka a magneticka litografie

menı orientaci prıslusnych domenmagneticka – pomocı MFM s mag. hrotemferoelektricka – pomocı napetı (lze realizovat i bez SPM, vodivaforma)zubate okraje





Trojrozmerna litografie

zahraty hrot lokalne desorbuje material





SPM techniky pro zaznamove aplikace

vysoka hustota zaznamu:bunka 10 nm: hustota 1012 bitu/cm2, soucasne technologie 109 bitu/cm2

problem s rychlostı – paralelnıtım vznika problem s detekcı – piezomag. zaznam omezen velikostı domenpro spotrebnı elektroniku nutnost mechanicke odolnosti




DNA nanokonstrukce

DNA jako sablona – pro kovove kationy, nanocasticeDNA jako strukturnı jednotka:

dobre predpovıdatelna vazbaznamy struktura a velikost (prumer 2 nm, delka 3,5 nm)strukturalnı stabilita a flexibilitadvojsroubovice lze spojovat pomocı ssDNAsiroky repertoar laboratornıch technik

pomocı „lepivych“ koncu lze spojovat DNA do mrızkyobecne nekonecne, ale lze i „adresovatelne“

na mrızku se mohou vazat napr. proteiny




DNA origami

vyzitı DNA jako stavebnıch bloku, SA


Uvod do nanometrologieAFM metrologie

StandardyInterferometrie

Problematika nanometrologie

rozsırenı delkove metrologie do nanorozmeruzarucenı jednotnosti a spravnosti merenırozmery pod 100 nm, nejistoty casto pod 1 nmvetsinou mikroskopicke techniky

komercnı prıstroje bez navaznosti na jednotku delky

problem s definicemi dle norem

delkova metrologie – interference stabilizovanym laserempro presna merenı opticka interferometrierozlisenı pod 1 nm i kapacitnı a induktivnı senzory

bez navaznosti na metrdusledne rozlisovat presnost (rozlisenı) a spravnost

konstrukce prıstrojuizolace

Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 64



Opticka interferometrie

vyuzitı vzdalenosti maxim/minim – vlnova delkaMichelsonuv interferometrpolarizace, 1 nebo 2 vlnove delkypro mensı rozmery – interpolace

teoreticky sinusovy prubehvliv indexu lomu, polarizace, difrakcenedokonalosti optiky

prumerovanı pres velkou plochurozlisenı vıcesvazkovych specialnıch interferometru az 0,01 nm




Problemy opticke interferometrie

v technicke praxi – merkydefinice mechanickeho a optickeho rozhranı a drsnosti (chyba az 50 nm)nejistota vlnove delkyvliv teploty a moznost jejıho urcenıindex lomu prostredı, pro vliv mensı nez 10 nm pri 100 mm

zmena vlhkosti pod 10 %zmena teploty pod 0,1 ◦Czmena tlaku pod 40 Pavlnova delka s nejistotou pod nm




Rentgenova interferometrie

tri Si desticky z monokrystalu, rovnomerne vzdalenevybrousene plochy kolme k rovinam (220)LLL interferometr (Laueho difrakce, Bragguv odraz)minima vzdalena o d220, nezavisı na λnelze pozorovat prımo→Moire prouzky pohybem poslednı lamely




Combined Optical and X-ray Interferometer (COXI)

zarızenı pro kalibraci nanoposuvupro posuvy do 1µm je nejistota pro 95 %: ±30 pm∆l = 1

4λ′(N02 −N01) + (nx2 − nx1)d′220 + (fx2 − fx1)d′220




Vlastnosti COXI

opticky interferometrhrube, ale velmi presne merıtkonavazany na metrHe-Ne laser stabilizovany I

rtg. interferometrdelı kazdy opticky „prouzek“ na rovne dıly (pres 800)

(0,192 015 497 ± 1,2 · 10−8) nm pri 22,5 ◦C a 100 kPaMo Kα, pres valcove parabolicke zrcadlo

zvysenı intenzityfiltrace nezadoucıch slozek

prostredı – tlumenı vibracı, stabilnı teplota




Princip kalibrace

zrcatko T spojeno s motoremzrcatko X spojeno s posuvnou lamelou

1 motor v zakladnı poloze T02 vysledek opticke interference

je v libovolne hodnote3 posuvem X se opt. interference

vyladı tak, aby byla v minimu4 motor se presouva do polohy T15 pocıta se pocet optickych prouzku n6 pak se posune X tak, aby byl opticky

prouzek opet nulovy, pocıtajı se rtg. prouzky N7 vysledny posun je nλ+ Nd220

pro male posuvy lze cıtat pouze rtg. prouzkynad 7µm prouzky mizı vlivem velke deformace materialu



Standardy

Metrologicke AFM

obsahujı vazbu na definici metru3 interferometrymoznost velkeho skenovacıho rozsahukorekce pri vypoctu nebo real-time



Standardy

Standardy roztece

prirozene standardypro atomarnı rozmery – perioda mrıze

vyzaduje atomarnı rozlisenıAFM i TEM, nelze pro SEM

umele standardy1D nebo 2D mrızky

v prıpade AFM platı casto kalibrace jen pro dane podmınkynutno zohlednit napr. vysku vzorku



Standardy

Vyskove standardy

vyska nejakeho prechoduvzdy problem s vlhkostı a znecistenım

prirozene standardy1 vicinalnı povrchy

napr. Si(111) – 0,314 nm??2 leptanı slıdy3 vzorky typu DNA problematicke4 nemajı „normovany“ tvar

umele standardypomocı mikrotechnologieod 8 nm, velke roztece„kalibracnı“ kulicky

merenı provadet kolmo k prechodu



Standardy

Dalsı standardy

rovinnostkrystaly rostle Czochralskeho metodouvznikajı atomarne hladne steny (< 1 nm)

drsnostmezera mezi rovinnym sklem (∼ 2 nm) a technickymi standardyumele zvrasnene plochy (nanogrinding)

zvrasnene v jednom smeru, hladke v druhem

tloust’ka vrstevtenka vrstva na ciste podlozcerozdılne pro ruzne techniky

rtg – kremen, Ni vrstva mezi ochrannymi uhlıkovymi vrstvamielipsometrie – SiO2

urcovanı pomocı TEM, litograficke tvarovanı pro AFM


Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje

Manipulace pomocı SPM

predevsım nanocastice, nanodratyvyuzitı mechanicke interakce – tazenı, tlacenıpotreba vypnutı zpetne vazbyk pohybu dojde, je-li prumet sıly vetsı nez trecı sıla

Aplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 75


Manipulace pomocı EM

vyjimecne, vetsinou kombinace nanonastroj a SEM

Sn nanodrat v nanotrubicceAplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 76


Manipulace pomocı FIB

ohyb nosnıku pomocı tepelneho pusobenı



Opticka pinzeta

tvarovany svazek zachytı mikro-objekty, muze i manipulovatprincip – prenos momentudielektricke objektyF ∼ 1

2α∇E2

lze vyuzıt i k mikroskopii



Opticka pinzeta – konstrukce

staveny z modifikovanych optickych mikroskopu



Nanomanipulatory

system s sirokym rozsahem pohybu a ostrym hrotemmoznost kombinace vıce hrotupresnost polohovanı ∼ 1 nmvyuzitı: manipulace s casticemi, merenı soucastek



Mikronastroje

vyuzitı analogiı z makrosvetakleste – problemy se silami (adheze)nuz – rezanı NT pomocı napetı

presnost polohy 50 nm



Operace bunek

upraveny AFM hrotmoznost vpıchnutı, injekce apod.


NanocasticeNanodraty a nanotrubicky

Aplikace zakladnıch nanostruktur

rozsırenı aplikacı z mikrosveta:nanocastice pro lestenıochranne povlaky z nanofilmu

mnohdy jen marketingove triky nebo bez dolozene ucinnostineresı se dopady aplikacıhttp://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/browse/

vybrane aplikace nanocastic:SiO2 branı srazenı vody na skleCe nanocastice jako aditiva do benzınu

Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 83

http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/browse/

http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/browse/


Katalyza

katalyza – zmena rychlosti chemicke reakce zpusobena katalyzatoremkatalyzator – neucastnı se chemicke reakce, ale ovlivnuje jiheterogennı katalyza – katalyzator je v jinem skupenstvı nez reagujıcılatky

casto pevna latka, zalezı na plose povrchuspecificka plocha povrchu m2/gu nanocastic extremne vysoka (az 1000 m2/g)zavisı i na jinych parametrech, napr. krystalove strukture

nanocastice mohou byt zarodky pro dalsı strukturydetoxikace uzemı, cistenı vod (Fe2O3)fotokatalyza TiO2

Au – objemove inertnı, nanocastice pod 5 nm katalyzujı CO



Vyuzitı optickych vlastnostı

opticke vlastnosti se menı s velikostı castic (posuv absorpcnıchkrivek)

ochranne UV filtry z nanocastic TiO2barvenı skla – nejstarsı aplikace „nanotechnologiı“rtenky (Fe2O3)

1D retızky castic lze pouzıt jako vlnovodykovove castice zvysujı intenzitu Ramanova zarenı (obecne el. pole)solarnı clanky – napr. amorfnı Fe2O3

Au nanocastice pro plazmonovou rezonanci (opticke zobrazovanı,TERS)



Senzory

senzory plynutelısko pokryte vrstvou s nanocasticemireaguje na mnozstvı par danych latek

vetsinou nenı citlivy jen na jednu latkudojde ke zmene odporu

aplikace Fe2O3 pro detekci etanolu



Vyuzitı magnetickych vlastnostı

magneticke separace latekmagneticka castice se pokryje vhodnou vrstvoudojde k chemicke vazbe mezi vrstvou a odstranovanou latkoumagnetem se odstranı castice i s latkounapr. systemy pro cistenı krve

magneticka zaznamova media – vhodny tvar a velikostplynove senzoryvyuzitı k chlazenı – magnetokaloricky jev (az mK)detekce prıtomnosti molekul



Lekarstvı a bioaplikace

MRIhypertermiedorucovanı a uvolnovanı lecivzachycovanı viruantibakterialnı ucinky strıbra

i makroskopickeprıprava „ciste“ vodytextil

antibakterialnı obvazyobvazy na zapachajıcı ranyoblecenı (ponozky)



Fluorescencnı znacky

vetsı fluorescencnı kvantovy zisknedochazı k vyblednutıvetsı posuv frekvenceuzsı emisnı spektrumvıcebarevne zobrazovanıjsou o rad vetsı – vetsı deformacedrahsı nez organicka barviva



Nanofluidy

system nanocastic v kapaline (nutna stabilizace)vyuzitı napr. chlazenı – zvysenı tepelne vodivosti, ovlivnenı viskozityferrofluidy

koloidnı system z magnetickych nanocastic ∼ 10 nmsurfaktanty zabranujı aglomeracibez vnejsıho magnetickeho pole nulovy momentvnejsı DC mag. pole castice orientuje (podobnost s kapalnymi krystaly)

vytvarı se retızky castic paralelne s polemcım vetsı pole, tım vıce castic v retızcıchpro pole kolme k filmu vytvarejı konce retızku hexagonalnı usporadanıvzdalenost retızku d zavisı na velikosti polemuze dojıt az k zamrznutı – pevna latka

mag. „jezek“ – nad prahovou intenzitou,minimalizuje mag. energii



Nanofluidy

system nanocastic v kapaline (nutna stabilizace)vyuzitı napr. chlazenı – zvysenı tepelne vodivosti, ovlivnenı viskozityferrofluidy

koloidnı system z magnetickych nanocastic ∼ 10 nmsurfaktanty zabranujı aglomeracibez vnejsıho magnetickeho pole nulovy momentvnejsı DC mag. pole castice orientuje (podobnost s kapalnymi krystaly)

vytvarı se retızky castic paralelne s polemcım vetsı pole, tım vıce castic v retızcıchpro pole kolme k filmu vytvarejı konce retızku hexagonalnı usporadanıvzdalenost retızku d zavisı na velikosti polemuze dojıt az k zamrznutı – pevna latka

mag. „jezek“ – nad prahovou intenzitou,minimalizuje mag. energii



Aplikace ferofluidu

ferofluidy vykazujı optickou aktivitupohybove prvky – posun s mag. polemuzavıranı magnetickych obvodu (slozite tvary)absorbery mechanickych sokutesnenı proti necistotam – uveznenı mag. polemreproduktory – centrovanı cıvky, chlazenı, tlumenımagnetickym polem laditelne difrakcnımrızky – zmena dmaterialy absorbujıcı radarove zarenıtepelne chlazenı – pri vyssıch teplotachmene magneticke, vznika tok casticvizualizace magnetickych domenpresne obrabenı



Koloidnı krystaly

monodisperznı koloidy majı tendenci vytvaret 3D usporadanestrukturytvorba krystalu sedimentacı na podlozce, vlivem externıho pole apod.po vysusenı jsou krehke, ve vode se rozpustılze je povazovat za nanoporeznı materialy (matrice)

fotonicke krystalyroviny difraktujı svetlo:barvy (opal), filtry v RS, opt. senzoryslozitejsı (foto)katalyza

barevny inkoust

620 nm



Aplikace fulerenu

doprava leciv uvnitr fulerenunelinearnı opticka absorpce – ochranne filtrylubrikanty (C60Fn) – ale drahe a nestabilnıochrana kovovych iontu pred agresivnım bioprostredım privysetrenıchFIB s vyuzitım ionizovanych C+60, v porovnanı s Ga+:

je ucinnejsı pri nizsı energiivytvarı mensı zvrasnenı povrchu

pusobı jako antioxidanty (kosmetika)



Aplikace nanodratu

vodice – neplatı G = σS/lbalisticky rezim pro Lsvd < ljednoduchy model kvantoveho vodice:

nanodrat spojuje dva rezervoary s T1, µ1 a T2, µ2, zde µ1 − µ2 = eUudrzuje se koherentnı fazepro dokonaly balisticky rezim s jednım obsazenym stavem

I =2eh

∫[f1(E)− f2(E)] d E

pro T = 0 K je vodivost G = G0 = 2e2/h = 0,77 mS

Au–Ni nanodrat jako termoclanek s rychlou odezvou



Aplikace nanotrubicek

vodice z kovovych nanotrubicekspojenı dvou NT s rozdılnou chiralitou vytvarı dioduFET tranzistory s nanotrubickouhroty pro SPMochrana proti elektrickym vybojum (polymernı matrice)

branı hromadenı naboje na izolacnıch polymerech

elektromagneticke stınenıtepelne chlazenı na cipechmechanicke zpevnenı (nahrada uhlıkovych vlaken)

problem s prenosem namahanı – netecnetlumenı vibracı



Aplikace nanotrubicek

FE zdroj elektronujsou chemicky odolne proti znecistenıpevna vazba branı odprasenılze dosahnout vysokych proudu (odolajı az 109 A/cm−2)emise je stabilnı, dlouha zivotnostaplikace – monitory, „zarovky“

superkondenzatoryvzdalenost desek je ∼ 1 nmvelka plocha povrchu NTaz 200 F/g

pohybove prvky – ovladacı napetı ∼ 1 V (napr. PZT ∼ 100 V)senzory – velka plocha povrchu, ovlivnenı transportu elektronubaterie – Li+ ionty se vkladajı do grafitovych vrstev, B-dopovane NTjako nejefektivnejsıuchovanı vodıku/plynu uvnitr trubiceksynteza nanodraturealizace cerneho telesaAplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 96


Nanovlakna

shluk vlaken ve forme (netkane) textilie, prumery pod 1000 nmprıprava Nanospider – elektrostaticke zvlaknovanıaplikace

velka plocha povrchu – funkcionalizace (fotovoltaika)tlumenı hlukuobvazy nepropustne pro bakterie (obecne filtry)„inteligentnı“ oblecenı


Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy CMOS elektronika

Omezenı soucasne elektroniky

zalozena na vyuzitı polovodicuprevazne CMOS technologieplanarnı technologieztratovy tepelny vykondotovanı polovodicuspınacı dobydelka a pocet vodicu – prodlenı, vetsı odpor (prurez)

Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 98


Skalovanı CMOS tranzistoru

MOS tranzistor – pruchod proudu ovlivnitelny polem (napetım)dulezitym parametrem je delka hradla LG

CMOS – pouzitı PMOS a NMOSzmensenı rozmeru vede ke snızenı LG

vliv na Ion, Ioffpriblızenı vyprazdnenych oblastısnızenı potencialove bariery

vliv tloust’ky oxidove vrstvy eredukce rozmeru – problemy s propojenım



NanoMOS

rozmery az LG = 16 nmproblemy s vrstvou oxidu

zıskanı homogennıch vlastnostı na cipuvznik slabych mıstomezenı neprızniveho vlivu drsnostipruchod dopantu z jedne oblasti do druhetunelovanı proudu

jine technologie nez CMOSHEMTsupravodicemolekularnı elektronikajine architektury (opticke, kapacitnı)



Nanotrioda

princip vakuove triody v pevne latce (mikrovakuova elektronika –MVE)vyuzıva polnı emise z W sloupku


Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy

Paralelnı architekturySoftcomputing

Adaptace pro nanosystemy

velky pocet velmi malych prvkuproblem s propojovanım vodici (adresace, programovanı apod.)vhodna lokalnı struktura – prvek interaguje jen se svym okolımopakovanı stejneho motivu

velka chybovostmnoho prvku bude vadnych

i klasicke polovodice majı velky rozptyl parametrujediny vadny prvek v CMOS zpusobı nefunkcnost, redundance je draha

nutna robustnostcitlivost na okolnı podmınky

projevy kvantoveho svetasamokonfigurovanı, samooptimalizovanı, samolecenı

tolerance k defektum – schopnost pracovat i bez fyzicke opravyklasicke pocıtace/procesory

velka ruznorodost jednoteklimity technologie

spatne zmensovanı architektur s dlouhymi vzdalenostmi




Paralelizace

zvysenı vykonnosti pomocı soucasnych vypoctusoucasne systemy:

jeden ci nekolik procesoru/jaderfyzicke oddelenı pameti (dat a programu) a procesorujednoducha architektura a realizacevetsina obvodu je v danem case neaktivnı a generuje ztratove teplo

paralelnı usporadanı – narocne na harmonizaciucinnost zavisı na definici

F

F

F

F

F

F F

η0η0

η0 η0=Nη0 η0=N

1

2

1 2

kriterium cas: stacı paralelnı usporadanıkriterium frekvence/plocha cipu:paralelnı suboperace




Rekonfigurace

rekonfigurovatelne pocıtacesestava z opakujıcı se architekturykazdy element obsahuje lokalnı instrukcnı jednotku a pamet’datlogicka funkce jednotky lze programovat pres rekonfigurovatelnelogicke bloky

moznost rekonfigurace prevadı hardware na softwarenapr. adresovatelne spınace

look-up tabulkymısto vypoctu lze vysledek vyhledatkombinace vstupnıch hodnot slouzı jako adresaaritmeticka jednotka je nahrazena pametı

+ kdyz mame pamet’, muzeme i pocıtat+ cas vypoctu nezavisı na operatoru, ale

na technologii a strukture pameti+ lze-li menit obsah pameti, lze funkci prizpusobovat− slozite/presne operace vyzadujı velkou kapacitu pameti− slozitost adresovacıho obvodu




Softcomputing

vyuzitı fuzzy systemu, genetickych algoritmu a umelychneuronovych sıtıduraz na autonomnı systemy (obtızne programovanı)fuzzy systemy

strukturovanı a programovanı pomocı lingvistickych datzpracovanı je odolne vzhledem ke zmenam absolutnıch hodnot velicinzpravidla stacı do 5 pravidel

evolucnı algoritmyvhodna volba cılove funkcemutace a krızenı dat

connectionistic systemyjednotlive procesory jsou prımo spojenysıla vazeb urcuje chovanı sıtespecialnım prıpadem jsou neuronove sıte




Rozlozene a odolne uloziste

asociativnı pamet’– nevyuzıva adresuasociativnı matice

vaha bud’ jedna nebo nulave fazi ucenı se nastavı jedna v uzlu, kde x = 1 a y = 1pri vybavovanı se vstup X pronasobı s kazdym sloupcem vah,vysledky se sectou a prahujıvolba prahu urcuje verohodnost

snızenı prahu toleruje chybykazda informace je ulozena v celem objemu matice

funguje jen pro rıdke matice




Specialnı hradla

vıcehodnotova logika (napr. i ukladanı do pametı)Fredkinova hradla

bezna hradla vedou ke ztrate informacespojenı s entropiı a disipacı energie – ohrev ∆E = kBT ln 2∆Htri vstupy (u, x1, x2) a vystupy (v = u, y1 = ux1 + ux2, y2 = ux1 + ux2)pouzije se jen jeden zadoucı vystup, ostatnı jdou do „odpadu“

k ohrevu dojde az mimo hradloohrev vyznamny u molekularnıch procesu (obtızne chlazenı)vyuzitı napr. u = a, x1 = b, x2 = 0 zıskame AND y1 = ab

vetsinova hradlavystup je roven prevazujıcı hodnote na vstupunapr. x1 = 0, x2 = 0, x3 = 1 dava y = 0

0 1

0

1

0 1

0

1

AND OR

zaroven univerzalnı hradlo:je-li rıdıcı signal 0, realizuje ANDje-li ridıcı signal 1, realizuje OR

dulezite pro chybujıcı nanosystemypotreba rozhranı s konvencnı Boolovou algebrou


Vybrana literatura

Dostupne elektronicky:

Springer Handbook of Nanotechnology

Introduction to Nanoscale Science and Technology

Ostatnı:

Dupas, C.; Houdy, P.; Lahmani, M.: Nanoscience, Springer

Kohler, M.; Fritzsche, W.: Nanotechnology. An Introduction to NanostructuringTechniques, Wiley

Goser, K.; Glosekotter, P.; Dienstuhl, J.: Nanoelectronics and Nanosystems, Springer 2004

Schmid, G.: Nanoparticles. From Theory to Application, Wiley

Shatkin, J. A.: Nanotechnology. Health and Environmental Risks, CRC Press

Aplikovane nanotechnologie 108

http://dx.doi.org/10.1007/3-540-29838-X

http://dx.doi.org/10.1007/b119185

http://www.springer.com/engineering/electronics/book/978-3-540-40443-9

Date post:	01-Feb-2018
Category:	Documents
Upload:	buikiet
View:	218 times
Download:	2 times

Aplikovane´ nanotechnologie -...

Documents