Nanostruktury krystaliczne

1.

Nanotechnologia na codzień

2.

Prawo Moora i jego konsekwencje

a)

Więcej! Szybciej! Taniej!

b)

Wyzwania i problemy

3.

Nanotechnologie

a)

CO?

a)

Studnie, druty, kropki

b)

JAK?

a)

Top-down, czyli (nano)technologia

b)

Bottom-up, czyli samoorganizacja

c)

Bio-technologia

IBM

36 atomów kobaltu na podłożu z miedzi tworzy „korale kwantowe”. Elektrony na powierzchni miedzi oddziałują z atomem kobaltu umieszczonym w ognisku elipsy tworząc „kwantowy miraż”.

Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl

http://www.fuw.edu.pl/~szczytko/NT

NanoTechnologia

10

-9

0,000 000 001

Nauka

Inżynieria

Technologia

a,b,c < 100 nm

Nanotechnologia na codzień

Samoczyszczący się beton

Elektronika

Wyświetlacze OLED

Sport

Ubrania (Nano-Tex)

Kosmetyki Zdrowie (filtr krwinek)

Dlaczego XXI w?

nano

mikro

mili

Intel Quad-Core Penryn series (2008) 800 000 000 tranzystorów technologia 45 nm Zegar max 3,33 GHz 9 warstw Moc ok. 65 W

AMD Phenom X4 QUAD-Core (2008)

450 000 000 tranzystorów technologia 65 nm. Zegar max 2,6 GHz 11 warstw Moc 95 W -140 W

Nanotechnologia

Nanotechnologia

Źródło: www.usna.edu/EE/ee452/LectureNotes/ 05-Processing_Technology

Wirus Ebola 600 nm

Rhinowirus 30 nm

Średnica ludzkiego włosa

100 000 nm

Średnica krwinki czerwonej

Dł. fali światła widzialnego

Najnowszy tranzystor Intela

90 35 20 15 nm

Średnica DNA, nanorurek 2nm

Promień Bohra

0.01 nm

Rozmiary

Dlaczego XXI w?

nano

mikro

mili

Parowóz dziejów

Przez ostatnie 40 lat na badania technologii

krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 10

_USD

TRENDY: Pierwsze Prawo Moore’a

Ilość komponentów (tranzystory, połączenia,

izolacje itd.) w IC podwaja się co około 18

miesięcy.

Rozmiar liniowy komponentów również

zmniejsza się wykładniczo w czasie

.

Te trendy nie mogą być kontynuowane w

nieskończoność

.

• Co zastąpi technologię Si?

• Z czego będzie wynikała ta zmiana

technologii?

EKONOMIA

My

ś

limy,

ż

e tranzystor

jest zbudowany tak.

25 nm MOSFET

Produkcja od 2008

4,2 nm MOSFET

Produkcja ???

Asen Asenov, Glasgow

Granice miniaturyzacji?

IEEE Trans Electron Dev 50(9), 1837 (2003) David Williams Hitachi-Cambridge

PROBLEM: Chłodzenie

Gęstość mocy rośnie dramatycznie.

10

tranzystorów

pracujących z częstością

1.5 GHz zużywa 130 W.

Zakładając, że na tej

samej powierzchni za jakiś

czas będzie pracować 10

tranzystorów z częstością

10 GHz otrzymamy

gęstość mocy na poziomie

10 kW/cm

(porównywalną

gęstość mocy ma silnik

rakietowy!)

Nanotechnologie

CO?

• Studnie, druty, kropki

JAK?

• Top-down, czyli (nano)technologia

• Bottom-up, czyli samoorganizacja

Struktury niskowymiarowe

Low-dimensional Semiconductor Systems

Studnie

kwantowe

Druty

kwantowe

kwantowe

Kropki

t

2D

1D

“

0D

“

Dyskretna struktura elektronowa

Hub e rt J . Krenne r

MOCVD

E

E

E

D(E)

E

Studnia kwantowa

t

2D

MOCVD

Osadzanie z atomową

precyzją warstw o różnym składzie

lub domieszkowaniu

E

_c

Studnie Kwantowe

Studnie Kwantowe

Struktury niskowymiarowe

Low-dimensional Semiconductor Systems

Studnie

kwantowe

Druty

kwantowe

kwantowe

Kropki

t

2D

1D

“

0D

“

Druty

http://gams.cam.nist.gov/hpcc/physics/nano.html

Druty

www.ece.odu.edu/g_seminar.htm

Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science http://www.mpi-halle.mpg.de/~mbe/

Struktury niskowymiarowe

Low-dimensional Semiconductor Systems

Studnie

kwantowe

Druty

kwantowe

kwantowe

Kropki

t

2D

1D

“

0D

“

Quantum

Dot

e

-cgs

0



1



X





Hubert J. Krenner

Wzrost kropek kwantowych

Energy

Time

Island

formation











SUBSTRATE

(GaAs)

EPITAXIAL

LAYER

(e.g. InAs)

• Defect-free semiconductor “clusters“

on a 2D quantum well wetting layer

TEM

0.25µm x 0.25µm

GaN/AlGaN QD’s

Nanotechnologie

CO?

• Studnie, druty, kropki

JAK?

• Top-down, czyli (nano)technologia

• Bottom-up, czyli samoorganizacja

Nanotechnologie

CO?

• Studnie, druty, kropki

JAK?

• Top-down, czyli (nano)technologia

Top-down

1.

Dominuje technologia

krzemowa

2.

Obecne układy

~ 10

_{- 10}

tranzystorów

3.

Podłoża - 300mm,

~ 10

chipów

4.

Fotolitografia, naświetlanie,

trawienie etc

5.

Typowo ~20 masek, 150 - 200

kroków procesów

Nanotechnologia

Maszyna do technologii

Step-and-Repeat Aligner (Stepper)

Nanotechnologia

Maszyna do technologii

Step-and-Repeat Aligner (Stepper)

Źródło: www.usna.edu/EE/ee452/LectureNotes/ 05-Processing_Technology

Single field exposure, includes:

focus, align, expose, step, and

repeat process

UV light source

Reticle (may contain one or

more die in the reticle field)

Shutter

Wafer stage controls

position of wafer in

X, Y, Z,

q

Projection lens (reduces the size of

reticle field for presentation to the

wafer surface)

Shutter is closed during focus

and alignment and removed

during wafer exposure

Nanotechnologia

Maszyna do technologii

Step-and-Repeat Aligner (Stepper)

Źródło: www.usna.edu/EE/ee452/LectureNotes/ 05-Processing_Technology

Resist exposed to light

dissolves in the

developer chemical.

Unexposed resist remains

crosslinked and PAGs are

inactive.

Pre-exposure

+ CA photoresist

Post-exposure

+ CA photoresist

Post-develop

+ CA photoresist

UV

Oxide

Photoresist

Substrate

Exposed

Unexposed

Nanotechnologia

Źródło: www.usna.edu/EE/ee452/LectureNotes/ 05-Processing_Technology

4) Poly gate etch 1) STI etch 2) P-well implant 3) N-well implant

8) Metal etch 5) N+ _{S/D implant 6) P}+_{S/D implant 7) Oxide contact etch}

Top view 1 2 3 4 5 7 6 8 Cross section Resulting layers

Nanotechnologia

Źródło: www.usna.edu/EE/ee452/LectureNotes/ 05-Processing_Technology

2006

1997

Nanotechnologia

Źródło: www.usna.edu/EE/ee452/LectureNotes/ 05-Processing_Technology

Litografia

Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha)

W – najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.

Nanotechnologia

Maszyna do technologii

Step-and-Repeat Aligner (Stepper)

Nanotechnologia

Maszyna do technologii

Step-and-Repeat Aligner (Stepper)

Litografia Imersyjna

Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha)

W – najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.

Nanotechnologia

Intel, 2003

Intel 2005

Litografia

90nm

65nm

45nm

32nm

Nanotechnologia

Na

tęże

ni

e

Położenie

l

Nanotechnologia

Na

tęże

ni

e

Położenie

l

k

Nanotechnologia

Nanotechnologia

Nanotechnologia

Litografia Imersyjna

Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha)

W – najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.

Litografia Imersyjna

Litografia Imersyjna

http://www.almaden.ibm.com/st/chemistry/lithography/immersion/resist_development/

Litografia 3D

Lasery ekscymerowe

Electron-microscope image of the world's smallest guitar, based roughly on the design for the Fender Stratocaster, a popular electric guitar. Its length is 10 millionths of a meter-- approximately the size of a red blood cell and about 1/20th the width of a single human hair. Its strings have a width of about 50 billionths of a meter (the size of approximately 100 atoms). Plucking the tiny strings would produce a high-pitched sound at the inaudible frequency of approximately 10 megahertz. Made by Cornell researchers with a single silicon crystal, this tiny guitar is a playful example of nanotechnology, in which scientists are building machines and structures on the scale of billionths of a meter to perform useful technological functions and study processes at the submicroscopic level.

Litografia 3D

Atom

e

E

h

n

= ∆E

h

n

_photon

h

n

photon

2

2-photon probability ~ (light intensity)

2

lens

some chemistry

(polymerization)

3d Lithography

…dissolve unchanged stuff

(or vice versa)

N-photon probability ~ (light intensity)

Litografia 3D

2µm

[ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ]

l

= 780nm

resolution =

150nm

7µm

Badania na Hożej

Dr Marta Gryglas

Dr Agata Drabińska

Focus Ion Beam

JEM-9320 Focused Ion Beam System

Nanotechnologie

CO?

• Studnie, druty, kropki

JAK?

• Top-down, czyli (nano)technologia

1.

Nanotechnologia na codzień

2.

Prawo Moora i jego konsekwencje

a)

Więcej! Szybciej! Taniej!

b)

Wyzwania i problemy

3.

Nanotechnologie

a)

CO?

a)

Studnie, druty, kropki

b)

JAK?

a)

Top-down, czyli (nano)technologia

b)

Bottom-up, czyli samoorganizacja

c)

Bio-technologia

IBM

36 atomów kobaltu na podłożu z miedzi tworzy „korale kwantowe”. Elektrony na powierzchni miedzi oddziałują z atomem kobaltu umieszczonym w ognisku elipsy tworząc „kwantowy miraż”.

Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl

http://www.fuw.edu.pl/~szczytko/NT

Nanotechnologie

CO?

• Studnie, druty, kropki

JAK?

• Top-down, czyli (nano)technologia

Wydział (nano)Chemii UW

Synteza kropek kwantowych

+

H

O

heptan

Cd

heptan

S

2-CdS

heptan

CdS

wymiana

stabilizatora

heptan

CdS

CdS

CdS

CdS

_usunięcie

rozpuszczalnika

zmieszanie

S

2-Cd

Wytwarzanie koloidalnego CdS metodą odwróconej micelli

Związki wyjściowe: wodne emulsje jonów w fazie organicznej

Stabilizator organiczny

Zdjęcie SEM zawiesiny koloidalnej CdS otrzymanej w wyniku reakcji

CdCl2 z tioacetamidem jako źródłem jonów S

2-CdS O P O P O_P O P O P O P

TOPO + [

TOP+(TMS)

S

] + [

TOP+ (CH

)

Cd

]

O P

TOPO

TOP

Zdjęcia TEM nanostruktur z CdSe o rozmiarach 7 nm x 7 nm (A), 7 nm x 30 nm (B) i

7 nm x 60 nm (C) otrzymanych z (CH

)

Cd +TOPO + (TMS)

S .

Synteza kropek kwantowych

http://www.nanopicoftheday.org/2003Pics/QDRainbow.htm

Energia – ogniwa sloneczne

http://www.daystartech.com/lightfoil.cfm

http://www.tfp.ethz.ch/HESC/HESC.html

Cu(In,Ga)Se

(also called CIGS) compound semiconductor

solar electricity conversion efficiency of 12.8%

Zdjęcie STM polimeru przewodzącego

(poli(3,4-dialkoksytiofenu) otrzymanego elektrochemicznie

Zdjecie SEM poli(3-heksyltiofenu)

otrzymanego chemicznie

Nanorurki, nanowąsy i kropki

nanocząstka Au

ZnO

www.ee.leeds.ac.uk/nanomsc/modules1.php

Nanorurka Si

Kropki kwantowe + bio

http://www.evidenttech.com/

A PbSe Quantum Dot as seen through a transmission electon microscope (TEM).

Kropki kwantowe + bio

Kropki kwantowe + bio

Magnetyczne

QD’s

Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange

Synteza nanomateriałów

Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange

Wydział Chemii UW, Pracownia Fizykochemii Nanomateriałów

Magnetyczne

QD’s

Iron

Iron

Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange

Magnetyczne

QD’s

Pracownia Fizykochemii Dielektryków i Magnetyków

Ewa Górecka, Paweł Majewski, Jadwiga Szydłowska, Adam Krówczyński

nano-Co

nano-Co _nano-Co

Ferrofluid

Magnetyczne

QD’s

Magnetic photonic crystals

Biologiczne kryształy fotoniczne

Orientacja jest zdefiniowana

przez wektor chiralny (n,m)

c

= n a + m b

Rozróżniamy orientacje:

• Armchair

• Zig-zag

• Chiral

J.Basak, D.Mitra, S.Sinha „Carbon nanotube: the next generation sensors” presentation Paweł Tomasz Pęczkowski

Nanorurki można sobie wyobrazić jako warstwy atomów węgla (takie jak w

graficie), które zostały zrolowane.

Winda

Winda do nieba

http://www.spaceelevator.com/

Winda do nieba

Nanomaszyny

Za wolno

W sam raz

http://www.ipt.arc.nasa.gov

Benzen + CN

Gear Rotation in a Vacuum 200 rot/ns

First Synthetic Nanomotor

Alex Zettl, 03-7

Schematic (top) and scanning electron microscopy (SEM) image (bottom)of LBNL’s synthetic nanomotor. A 300 nm Au

plate rotor (R) is attached to a multi-walled carbon nanotube (MWNT) which acts as a support shaft and is the source of rotational freedom. Electrical contact to the rotor plate is made via the MWNT and its anchor pads (A1, A2). Three stator electrodes, two on the SiO2surface (S1, S2) and one buried

beneath the surface (S3), provide the control elements.

SEM images showing the rotation of the rotor actuated

by applying appropriate voltage sequences to the stators. The MWNT, barely visible, runs vertically through the middle of each frame. The schematic diagrams located beneath each SEM image illustrate a cross-sectional view of the position of the

nanotube/rotor-plate assembly. The rotor can rotate through a full 360 degrees for thousands of cycles without apparent degradation or wear.

Top view Side schematic 300 nm 300 nm MWNT shaft Au rotor http://www.lbl.gov/msd/PIs/Zettl/03/07_nanomotor/03_7_nanomotor.html

Model for the Kinesin Mechanism

mov-muscmyosinmotrev6.mov

mov-procmotconvkinrev5.mov

http://valelab.ucsf.edu/research/res_mec_overv.html

Kinesin is a dimeric motor protein that travels

processively towards the microtubule plus end by taking

8 nm steps, which corresponds to the distance between

adjacent alpha/beta tubulin binding sites. We have

sought to define the structural changes in the motor that

explain the direction of movement and the basis of

head-head coordination during processive motility.

http://www.sns.gov/workshops/nni_05/presentations/050617_pincus_philip_nni05.pdf

+ H

O

ATP

_ADP

+ P

Bio-nano-silnik (ATPaza)

http://www.foresight.org/Conferences/MNT6/Papers/Montemagno/index.html http://www.linkclub.or.jp/~hiikoysd/ryohei/papers.html

Nanoroboty

Nanoroboty

Nano-samochód

http://www.nanonewsnet.com/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=4&pid=2

They found the nanocar was quite stable on the surface remaining parked until the surface was heated above 170 °C - presumably because of strong adhesion between the fullerene wheels and the underlying gold. Flat gold surface was used to prevent the nanocar actually roll around on its fullerene wheels, rather than slip like a car on ice.

Between 170 °C and 225 °C, the researchers observed that the nanocar moved around by translational motion and pivoting. The translational motion was always in a direction perpendicular to the handcar’s axle, indicating that it moves by rolling rather than sliding.

Nano i bio (gekon)

50x

Nano i bio (gekon)

6000x

Nano i bio (gekon)

6000x

http://www.microscopy.fsu.edu/primer/java/electronmicroscopy/magnify1/index.html

Nano i bio (gekon)

Nano i bio

Nano i bio

Nano i bio

ZnS

Zamiast podsumowania: co dalej?

nano

mikro

mili

Parowóz dziejów

Przez ostatnie 40 lat na badania technologii

krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 10

_USD

My

ś

limy,

ż

e tranzystor

jest zbudowany tak.

25 nm MOSFET

Produkcja od 2008

4,2 nm MOSFET

Produkcja ???

Granice miniaturyzacji?

From macroscopic

to nanoscale electronics

copper

(



1 μm)

organic molecules

(



0.3- 3 nm)

State-of-the-Art: Electronic Circuits

CH₂ C2H5 C2H5 C2H5 Gate Source Drain

transistor:

(FET)

diode:

barrier:

-4-terminal complex

logic elements

3- and 4-terminal

junction

wire:

6

Jaszowiec 0606’05

Ile bitów na atom?

Illustration showing how to transform an electron from its usual state in an atom (a), in which it exists in a cloud of possible positions surrounding the positively charged nucleus (indicated by a plus sign), to a "Trojan state" (f), in which the electron orbits the nucleus like a planet around the sun. The name comes from Trojan asteroids, the asteroids which orbit the sun in the same orbit as Jupiter but in a place either ahead or behind the planet. To create a Trojan electron, researchers would first use laser light to put the electron into a "circular Rydberg state" in which the electron exists in a thin donut of possible positions (b). Then, a microwave beam would subsequently change the shape of the donut (c-e), shrinking the range of possible positions for the electron and ultimately causing the electron to shrink into a small droplet (or alternatively, a shortened sausage) of possible positions. This droplet then orbits the nucleus like a planet around the sun. Although not yet achieved experimentally,

researchers believe that current technology could be applied to create Trojan electrons. The figure is not to scale--the circular Rydberg and Trojan states are actually hundreds of thousands of times farther away from the nucleus. In addition, the figure essentially shows just the top half of the probability cloud for the Trojan electron.

In recent computer simulations, researchers formed the word "optics" by calculating the electron cloud for a

specially prepared n=50 state. In the image above, the intensity of the letters represents the relative probability for finding the electron at that place, and the color denotes the phase (relative point in the cycle) of the electron wave associated with that point in the cloud. (Image courtesy Carlos Stroud, University of Rochester, and Michael Noel.)

This research is described by Carlos Stroud and Michael Noel in the April 1999 issue of Optics and Photonics News.

Nanotechnologie

„Brak inwestycji w naukę to inwestycja w ignorancję”

CENT

CENT

Nano i bio

Ewa Górecka , Adam Krówczyński, Jadwiga Szydłowska

studenci:

Paweł Majewski

Department of Chemistry, University of Warsaw

Structural Research Laboratory

Jacek Szczytko, Jacek Gosk, Andrzej Twardowski

studenci:

Paweł Budzowski, Barbara Witek, Henryk Turski, Michał Feigel

Department of Physics, University of Warsaw

Division of Solid State Physics, Institute of Experimental Physics,

Hanna Boszczyk-Maleszak, Jerzy Kacieszczenko

Department of Biology, University of Warsaw

Department of General Microbiology, Institute of Microbiology

Podziękowania

Wydział Fizyki UW

http://www.fuw.edu.pl

Zakład Fizyki Ciała Stałęgo

http://www.fuw.edu.pl/~zfcs

Andrzej Twardowski, Krzysztof Pakuła, Jacek Baranowski, Maria Kamińska, Andrzej Witowski

studenci: Kinga Masztalerz, Piotr Juszyński, Tomasz Zakrzewski, Paweł

Osewski, Paweł Budzowski, Krzysztof Ptaszyński

Division of Solid State, Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw

Andrzej Majhofer

Institute of Theoretical Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw

Jola Borysiuk, Agnieszka Grabias

Institute of Electronics Materials Technology

Anna Stonert, Renata Ratajczak

Podziękowania

Wydział Chemii

http://www.chem.uw.edu.pl

prof. dr hab. Grzegorz Chałasiński

Pracownia Fizykochemii Dielektryków i Magnetyków

Ewa Górecka, Adam Krówczyński, Paweł Majewski, Jadwiga Szydłowska

Pracownia Fizykochemii Nanomateriałów

Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange

Pracownia Elektrochemii

Krystyna Jackowska, Magdalena Skompska

Elżbieta Jagusztyn-Krynicka, Dariusz Bartosik

Hanna Boszczyk-Maleszak, Jerzy Kacieszczenko

Wydział Biologii,

Instytut Mikrobiologii

Jaki nowy? Ten ich to ten grat!

Inter-nat?

Inter

net?!!

INTERNET

!!!

(Makro)Kierunek:

Inżynieria nanostruktur!

http://nano.fuw.edu.pl

a,b,c < 100 nm