nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Transkript

1 Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci

2 Přednášky pro TU v Liberci Studijní program:nanotechnologie Studijní obor: Fyzikální inženýrství (organizuje prof. J. Šedlbauer, FPP TU v Liberci) Příprava Polovodičových Nanomateriálů (PPN) (koordinuje prof. E. Hulicius, FZÚ AV ČR, v.v.i.) Čtyřhodinové bloky. Letní semestr 2012/13 (to jest od února 2013 do června 2013). Zkouška test s ústním vysvětlením.

3 Sylabus dvouhodinové semestrální přednášky " Příprava polovodičových nanostruktur"pro obor magisterského studia "Fyzikální inženýrství" zaměření "Fyzika nanostruktur" Eduard Hulicius, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. 0. Úvod Obecne co to je NANO Definice a úvody do nanotechnologií a nanomateriálů snadno najdete na webu (wikipedie apod.), máte i samostatnou přednášku na toto téma, zde je ale můj subjektivní polovodičářský pohled a komentář k definicím a různé filosofické komentáře. ((Nezkouší se to.)) 1. Příprava objemových polovodičových monokrystalů. (1.) Vysvětlení základních principů růstových metod. Parametry vlastnosti a důvody omezení krystalografické dokonalosti těchto krystalů. Ani toto se nezkouší, ale je to důležitý pohled na přípravu krystalů nezbytný pro pochopení epitaxí!

4 3. Epitaxial techniques in general for semiconductor nanostructures preparation Epitaxe obecně, epitaxni růst vrstev a struktur. Je to krystalický růst na (obvykle) monokrystalické podložce. Umožňuje přípravu vysoce kvalitních, hetero- a nano-strukturních různých materiálů. Principy, fáze a typy růstu. Druhy epitaxí - epitaxe z pevné, kapalné a plynné fáze, jednotlivé varianty. Epitaxní růst z hlediska materiálového, SPE, LPE. Toto je zásadní kapitola, porozumění epitaxnímu růstu se zkouší! 4. Epitaxe z molekulárních svazků (MBE) Vysvětlení základních principů metody. Parametry, vlastnosti a důvody omezení technologie MBE. 5. Plynná epitaxe z organokovových molekul (MOVPE) Vysvětlení základních principů metody. Parametry, vlastnosti a důvody omezení technologie MOVPE. I tyto dvě kapitoly jsou stěžejní! Popis principu a schéma MBE či MOVPE je v každé sadě otázek.

5 6. In-situ (při růstu) charakterizace a diagnostika. Vysvětlení základních principů měřících metod. Parametry vlastnosti a důvody omezující různé metody. 7. Ex-situ charakterizace a diagnostika vrstev a struktur. Vysvětlení základních principů měřících metod. Ukázky výsledků. Na charakterizaci nanomateriálů máte sice celou semestrálku a určitě o tom uslyšíte i jinde, je to, myslím, jediný předmět spojující všechny nanotechnologie, zde je těžiště v technikách in-situ ( při růstu ) ty důležité byste měli umět popsat a z obecných nano-charakterizací budou jen ukázky našich výsledků. 8. Podpůrné techniky: a) Elektronová litografie; b) Napařování a naprašování Vysvětlení základních principů metody. Parametry zařízení ve FZÚ. 9. Polovodičové (nano)heterostruktury Polovodičové heterostruktury, využití kvantově-rozměrových vlastností nanostruktur, důvody zavádění, materiály. Pochopení specifik kvantově rozměrových struktur a součástek bude důležité pro ty, kdo chtějí dobrou známku.

6 10. Polovodičové lasery (LD) a světlo emitující diody (LED) Povídání o postupném i skokovém zlepšování parametrů se zaváděním nových nanostruktur kvantové jámy a tečky. V LD a v LED jsou dnes aplikovány velmi zajímavé nanostruktury, jejichž podrobnější popis může studentům pomoci pochopit i princip jiných nanostruktur. 11. Kaskádové lasery a lasery se strukturou typu W Souboj těchto dvou typů struktury o reálnou aplikaci jako zdroje laserového záření ve střední infračervené oblasti, kde je mnoho možností uplatnění v medicíně, ekologii, komunikacích i ve vojenství. Přiklad aktuálního, dosud nerozhodnutého špičkového aplikovaného výzkumu, kterého se přednašeč aktivně účastní.

7 Obecně: NANO není pouze, že je to malé. Začínají působit kvantové jevy.

8

9

10

11

12 Slavný Moorův zákon (o exponenciálním zmenšování velikosti elektronických prvků a s tím související zvyšování např. výpočetní síly), jeho minulost a potenciální budoucí scénáře. Souvislost s NANO. Kvantové jevy.

13

14

15

16

17

18

19

20 Procesy Bottom-up a Top-down a i něco mezi Příklady způsobů přípravy či vzniku nanostruktur Top-down osekávat Bottom-up - sestavovat něco mezi samo se sestaví či oseká

21

22 Příprava nanostruktur může být jednoduchá...

23

24 nebo velmi složitá a drahá:

25

26 Paradigma kvantových teček Vývoj od atomárních elektronových energetických hladin přes energiovou elektronovou (a děrovou) pásovou strukturu k opět ostrým elektronovým energetickým hladinám. Zásadní role NANO. Kvantové jevy.

27 Atom - Pevná látka - Kvantová tečka

28

29 Elektroluminiscenční displeje QLED vytvořené pomocí kvantových teček mají oproti dosavadním displejům hodně výhod. Tenké displeje s přesným a kontrastním vykreslováním tvarů a barev dobývají svět. Vývoj se nezastaví u dnešních displejů typu LCD nebo LED, popř. Udisplejů na bázi organických polymerů, tzv. OLED. Několik firem teď přichází s pokročilou technologií elektroluminiscence, která je založena na tzv. kvantových tečkách. Jedná se o displeje QLED. Kvantové tečky jsou ostře lokalizované krystalické oblasti polovodiče o nanometrových rozměrech. Kvantové tečky jsou schopny vázat jednotlivé elektrony a pracovat s nimi, případně jsou schopny produkovat fotony,které lze použít v dalším kroku. Elektroluminiscence označuje jev, při kterém lze v určitém materiálu řídit vyzařování světla pomocí elektrického proudu nebo elektrického pole.

30 Čtyři rozdílné barvy odpovídají čtyřem druhům kvantových teček. Foto: Padova University Raffaella Signorini

31

32

33

34

35 Aplikace Nanostruktur

36 Future R&D Directions of NMP Programme for the Period Materials Science and Engineering 3.1 Present State-of-the-art 3.2 Cross-cutting Research Directions in Materials Materials by Design: Synthesis, Characterization, Processing & Modelling Understanding Surfaces and Interfacial Phenomena Design and Manufacturing of Multifuctional Materials Design and Manufacturing of Structural Materials Integration of Multiple-Scale Phenomena (Molecular, Nano and Micro) in Materials Design and Production Development of Computational Tools for Predicting Functional and Structural Properties of Materials Metrology, Instrumentation: New Analytical Tools for Measurement of Materials Functional and Structural Properties 3.3 Materials Applications for Selective Industrial Sectors Materials for Information Technologies Biomaterials, Biomimetcs and Biomedical Engineering Materials for Energy Applications Surface Engineering and Coatings Catalysis and Chemicals Technologies Polymers, Composites and Hybrid Materials Renewable Materials, Ecomaterials Disassembly Recovery and Recycle of Materials 3.4 Recommendations and Priority Research Directions

37 Future R&D Directions of NMP Programme for the Period Industrial Production Systems 4.1 Present State-of-the-art 4.2 Cross-Cutting Research Directions in Manufacturing New Business Models Adaptive Manufacturing Networking in Manufacturing Digital Knowledge-based Engineering Emerging Technologies ICT for Manufacturing 4.3 Exploitation of the Convergence of Technologies Next-generation HVA Products Education and training in Learning Factories Disruptive Factory: Bio-nano convergence Disruptive Factory: Bio-cogno-ICT convergence 4.4 Cross-cutting Research Directions in Production Systems Batch and Continuous Production Systems Scale-up, Scale-down Developments and Process Intensification Enabling Technologies (e.g., On-line Monitoring, On-line Sensors, Process Optimization and Control, Supply Chain Management) Digital Production (integration of product design and production systems) New Products/Services and New Production Paradigms Alternative, Renewable and Novel Feedstocks and Processes for Chemicals and Materials Production 4.5 Recommendations and Priority Research Directions

38 Polovodičové technologie Příprava a vlastnosti objemových krystalů. Růst z taveniny při teplotě tání Název epitaxe z řeckého epi-taxis "uspořádaně na" zavedl L. Royer v r Jde o krystalický růst na (obvykle) monokrystalické podložce. Při rozdílu mřížkových konstant větším než 15% růst (obvykle) přestává být epitaxním. Vysvětlení významu, principu a zasazení do souvislostí Proč tak monstrózní, drahé, nebezpečné a náročné technologické aparatury? Epitaxní růst výhody, nové možnosti, omezení. Homo a hetero epitaxe. Rovnice o minimu energie Princip epitaxního růstu. Atomy či molekuly látky, kterou chceme epitaxně deponovat na vhodný substrát, se dopraví na jeho povrch, ten ovšem musí být atomárně čistý - zbaven oxidů a různých adsorbovaných látek - a atomárně hladký (maximálně s atomárními schody danými rozorientací monokrystalu). Na povrchu dojde nejprve k fyzisorpci, pak na vhodných místech s minimem energie, k chemisorpci jednotlivých atomů, k růstu atomárních vrstev a postupně celé struktury.

39 Příprava a vlastnosti objemových krystalů:

40 < Bridgeman či HGF Vertikální sestupné chlazení Czochralského metoda <

41 Růst monokrystalů metodou Czochralského

42 Polovodičové (mono)krystaly i jiné:

43 Polovodičové (mono)krystaly konference Berlin 2011

44 Růst monokrystalů metodou horizontální Bridgman

45 Růst monokrystalů metodou horizontální Bridgman

46 Růst monokrystalů metodou horizontální Bridgman

47 Růst monokrystalů metodou horizontální Bridgman

48 Objemové monokrystaly, byť mají úctyhodné parametry (periodicita atomová rovina vedle atomové roviny až metrová, hmota až metráková, a mřížka je stále stejná!), nejsou krystalograficky dokonalé a pro mnoho elektronických a zvláště optoelektronických aplikací nejsou použitelné. Důvodem je vysoká teplota při jejich vzniku z taveniny. Musí se přejít k přípravě kvalitnějších struktur pomocí epitaxních technologií, které pracují při nižších teplotách:

49 Konec 1. části Příště:

50 Epitaxní růst nanostruktur