NANOTECHNOLOGIE VE VÝUCE NA ČVUT FEL NANOTECHNOLOGY IN EDUCATION AT CTU FEE

Transkript

1 NANOTECHNOLOGIE VE VÝUCE NA ČVUT FEL NANOTECHNOLOGY IN EDUCATION AT CTU FEE Ivana Pilarčíková, Josef Sedláček, Jan Lipták, Václav Bouda ČVUT-FEL, Technická 2, Praha 6, ČR, Abstrakt Předmět Nanotechnologie je ve studijním programu Elektrotechnika a informatika zařazen do inženýrského bloku Elektronika a fotonika oboru Elektronika. Cílem předmětu je seznámení studentů se současnými nanotechnologiemi pro potřebu kvalifikovaného řešení problémů spojených s další miniaturizací systémů a prvků zejména v elektronice. Předmět je tématicky velice rozsáhlý. Vychází z aplikací kvantové fyziky, růstu fraktálů, koloidních systémů a samovolného růstu nanostruktur. 1. ÚVOD Předmět Nanotechnologie je ve studijním programu Elektrotechnika a informatika zařazen do inženýrského bloku Elektronika a fotonika oboru Elektronika. V tomto oboru patří mezi povinné předměty. Má rozsah a je zakončen zápočtem a zkouškou. Cílem předmětu je seznámení studentů se současnými nanotechnologiemi pro potřebu kvalifikovaného řešení problémů spojených s další miniaturizací systémů a prvků zejména v elektronice. Předmět vychází z aplikací kvantové fyziky, růstu fraktálů, koloidních systémů, samovolného růstu nanostruktur a jejich charakterizace v nanoelektronice, nanomateriálech, organických solárních článcích a biomimetických funkčních strukturách. 2. NÁPLŇ PŘEDNÁŠEK Obr. 1. Aparatura pro růst fraktálů 1 Úvodní blok přednášek je věnován základům kvantové fyziky, které jsou potřebné pro tento předmět. Následují přednášky týkající se charakteristiky základních typů nanostruktur (fraktály, koloidy apod.). S tím souvisí problematika metod studia nanostruktur. Pozornost je věnována především transmisivní elektronové analýze (TEM), skenovací elektronové a tunelové mikroskopii (SEM, STM) a mikroskopii atomárních sil (AFM). Dále je do osnov zařazena

2 přednáška o metodách epitaxního růstu se zaměřením především na epitaxi organokovových sloučenin (MO VPE) a epitaxi molekulárních svazků (MBE). Navazuje přednáška o litografických metodách nové generace, jedná se o extrémní ultrafialovou fotolitografii (EUV), elektronovou a iontovou projekční litografii (EPL, IPL) a rentgenovou litografii (XRL). Závěrečný blok přednášek je zaměřen na aplikace nanomateriálů. Jsou sem zařazeny elektronické nanosoučástky, možný vývoj polovodičové elektroniky, organické solární články a biomimetické nanoaktuátory. 3. LABORATORNÍ ÚLOHY Cvičení navazují na přednášky a vhodně je doplňují. Cvičení jsou laboratorní a mají demonstrační charakter. Do osnov jsou také včleněny dvě exkurze. Jedná se o exkurzi na pracoviště MBE a MO VPE ve FÚ AV ČR a na pracoviště výroby nanovláken firmy ELMARCO v Liberci (letos Euronanoforum 2009, Praha). 3.1 Studium difuzí limitovaného růstu fraktálu První laboratorní cvičení Studium difuzí limitovaného růstu fraktálu tvoří dvě úlohy. První experiment je založen na elektrodepozici. Do Petrino misky o průměru 16 cm se umístí po obvodu pásek ze zinkového plechu (anoda) o šířce 2 3 cm. Do misky se nalije 2M roztok síranu zinečnatého do výšky 4 5 mm. Na něj se nalije roztok, který má menší hustotu než síran zinečnatý (např. butylacetát, cyklohexanol). Oba roztoky musí být vzájemně nemísitelné. Druhý roztok vytváří quasi-2-dimenzionální rozhraní. Katoda je grafitová tyčinka, na konci rovně zbroušená. Umístí se do středu misky a zasune do kapaliny tak, že zbroušený konec se přesně dotýká rozhraní dvou nemísitelných roztoků. Elektrody se připojí ke zdroji stejnosměrného napětí. Po zapnutí se na zdroji nastaví konstantní napětí 5 V (obr. 1). Kolem grafitové katody postupně narůstá stromečkový fraktál (obr. 2), který je asi 1,7-dimenzionální. Pokud katoda není přesně zabroušená do roviny nebo se přesně nedotýká rozhraní kapalin, fraktál je 3-dimenzionální (obr. 3). 2

3 Obr. 2. Stromečkový fraktál 1,7-dimenzionální Obr. 3. Stromečkový fraktál 3-dimenzionální Druhá úloha je založena na vzniku viskózních prstů. Na pokus se použije Hele-Shawova buňka, na které byly prováděny studie proudění kolem překážek. Buňku tvoří dvě skleněné čtvercové desky o hraně 40 cm a tloušťky 5 mm. V rozích jsou spojeny šrouby, aby se zabránilo jejich vzájemnému posuvu. Vzdálenost desek od sebe je 1 mm (zajištěno podložkami v rozích). Uprostřed jedné desky je několikamilimetrový otvor, kterým se mezi desky vpraví asi 20 ml vysoce viskózního roztoku (např. glycerin). Je třeba dbát na to, aby v roztoku bylo co nejméně vzduchových bublin, které pak brání Obr. 4. Vstříknutí obarvené vody přirozenému růstu fraktálu. Středovým otvorem se pak do glycerinu vstříkne malé množství málo viskózního roztoku (např. obarvená voda), který je mísitelný s glycerinem (obr. 4). Dochází k difúzi vodného roztoku do glycerinu a vzniku viskózních prstů. 3

4 3.2 Technologie přípravy tenkých polymerních vrstev s agregáty uhlíkových nanočástic Úloha Technologie přípravy tenkých polymerních vrstev s agregáty uhlíkových nanočástic demonstruje v jednotlivých krocích přípravu vzorků polymerních kompozitů na bázi polystyren saze (PS CB). Do připraveného roztoku PS v toluenu se přidají drcené CB. Po dezintegraci (dezintegrátor IKA cca 2 min, RPM) a homogenizaci ultrazvukem (SONOPULS BANDELIN 40 W, 3 min) se vzniklý koloid odlévá metodou spin-coating na mikroskopová krycí sklíčka (obr. 5). Obr. 5. Spin-coating, připravené vzorky 3.3 Technologie přípravy tenkých kovových vrstev, měření elektrických vlastností vrstev Následuje úloha Technologie přípravy tenkých kovových vrstev, měření elektrických vlastností vrstev. Úvodem se studenti seznámí s teorií růstu tenkých vrstev, pak následuje demonstrace přípravy tenké Al vrstvy na PET nosiči metodou vakuového napařování (obr. 6). Na takto připravené vrstvě se provede měření optické absorbance a stanovení tloušťky vrstvy, která se pohybuje do 10 nm. U vytvořené vrstvy se nakonec stanoví plošná resistivita dle ASTM D (obr. 7). 4

5 Obr. 6. Vakuová napařovačka Obr. 7. ASTM D Studium nanostruktury kompozitů a tenkých vrstev pomocí mikroskopu atomárních sil Studium nanostruktury kompozitů a tenkých vrstev pomocí mikroskopu atomárních sil je cvičení, kde se studenti v praxi setkají s mikroskopií AFM, která je založena na mapování atomárních sil na povrchu vzorku. Při tomto měření se zjistí nanostruktura vzorků kompozitů PS CB (obr. 8) a tenkých Al vrstev na PET nosičích, které byly připraveny v předchozích cvičeních. Obr. 8. Snímky vzorků kompozitů PS CB 3.5 Studium krystalizace polypropylenu V úloze Studium krystalizace polypropylenu je sledována závislost četnosti a velikosti sférolitů na způsobu ochlazování vzorku polypropylenu. Pro pozorování je použit mikroskop doplněný polarizátorem a analyzátorem, ke kterému je připojena CCD kamera pro sledování celého procesu na LCD panelu. 5

6 Některé polymery po ochlazení pod teplotu tání částečně krystalizují. Jedná se např. o PE, PP, Teflon, Nylon, jejichž makromolekulární řetězce jsou vždy v určitých délkách těsněji a pravidelně uspořádány. Tyto krystaly mají různý tvar, z nichž nejběžnějším typem útvaru jsou tzv. sférolity, jejichž počet a výslednou velikost ovlivňuje rychlost ochlazení polymeru pod teplotu tání a teplota, při níž necháme zkrystalizovat. Sférolity jsou kulovité, většinou vzájemně prostorově omezené mnohostěny vyrůstající ze středu radiálním směrem. Podle volby ochlazování, tj. podle podmínek krystalizace, vzniká nadmolekulární struktura s rozdílnou velikostí a množstvím sférolitů. Rychlým ochlazením vzniká struktura s velkým množstvím drobných sférolitů s menším stupněm Obr. 9. Sférolity PP krystaliniky. Pomalým ochlazením rostou postupně sférolity, dokud nevyplní téměř celý objem materiálu (obr. 9). LITERATURA a) Monografická publikace [1] BHUSHAN B. (ed.) Handbook of Nanotechnology. Springer 1st ed ISBN: , e-isbn: Springer 2nd ed ISBN-10: X, e-isbn: b) Skripta [2] SEDLÁČEK J. Vlastnosti a technologie materiálů Laboratorní cvičení. Skripta FEL-ČVUT, Praha 2003, ISBN [3] SEDLÁČEK J. Materiále and Technology for Electronics Exercises. Skripta FEL-ČVUT, Praha 2007, ISBN c) Přednáška ve sborníku z konference [4] PILARČÍKOVÁ I. aj. Nanotechnologie in Education. In Development of Materials Science in Research and Education. Prague: Czechoslovak Association for Crystal Growth, 2008, p ISBN