Cesty k nanostrukturám a nanotechnologiím

Transkript

1 Cesty k nanostrukturám a nanotechnologiím Anton Fojtik *Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Czech Republic Presentace chce ukázat některé poznatky, myšlenky a názory v oblasti nanočástic a nanostruktur a v tomto smyslu obrátit Vaši pozornost na velký potenciální význam nanotechnologií a nanomaterialů. Presentace je zaměřena na: -vysvětlení konstrukce a tvorby nanostruktur, -chování a fyzikální vlastnosti nanostruktur -ukázku možného praktického využití. * ftk@troja.fjfi.cvut.cz Nebudu se zabývat teoretickými výpočty a vynechám komplikované matematické odvozování, které je však možné nalézt v našich a příbuzných publikacích a článcích. To ponechám laskavé pozornosti těch, kteří budou mít hlubší zájem. CO JSOU TO NANOSTRUKTURY? CO JSOU TO NANOTECHNOLOGIE? Nanostruktury jsou 1-,2-3- dimenzionálně vymezené prostorové (nanorozměrové) útvary, vyplněné nebo obklopené hmotou, které mají unikátní vlastnosti, takové které se u makrolátky nevyskytují. Nanotechnologie - to jsou cesty přípravy a engineering těchto útvarů a manipulace s nimi k vytváření nanomaterialů cílených vlastností pro praktické aplikace CO JSOU TO NANOMATERIALY? Nanomaterialy jsou výsledkem cílené manipulace s nanostrukturami Nanotechnologie je interdisciplinární vědecká oblast, která se zabývá stavbou a inženýrstvím molekulárních objektů hmoty (nanomaterialů) pro využití jejich unikátních vlastností ve výzkumu a praxi, např.: 1) využití optických, elektrických a magnetických vlastností Příklady: aktivní mřížka s koeficientem zesílení světla větším něž 1, optické vlákna,magnetické částice, mag.kapaliny 2) použití jako zdroje optického záření Příklad: svítící Si-LED struktury,vláknové lasery 3) zázman informací Příklad: světlem řízený přenos náboje záznam informací na molekulární úrovni, počítačové čipy na molekulání úrovni 4) interakci s jinými strukturami a soubory molekul (org. i anorganických.) Příklad: čidla a detektory (schottkyho dioda) pro detekci plynů a virů 5) využití v medicíně a biologii Příklad: el.mag.ventil pro nekrofilizaci tumorů, vychytávaní HIV virů in vitro, dopravníky a nosiče léků v biolog.systémech 6) použití nových nanomaterialů Příklad: nanokompozity,nanokeramika,nanovlákna 7) nanostroje, nanopřítroje a mnohé další aplikace. Rozměry jsou řádově v nanometrech až mikrometrech, mají individualní charakter a jsou významné svou konstrukcí a funkcí. V současné době je u nás trend nástupu nanotechnologické revoluce. 1

2 nanočástice a nanostruktury mají společný fenomén: unikátní fyzikální a chemické vlastnosti, které jsou rozdílné od makrolátky a jsou hlavně takové, které se v makrosvětě nevyskytují. V pohledu na látku v malých dimenzích,v extrémním zětšení,je vidět statistická a energetická nerovnovážnost hmoty (struktury). V těchto rozměrech (několika nanometrů) je jěště spousta místa na konstrukci malých 1,2,3 dimenzionálně ohraničených molekulárnich útvarů t.j.nanočástic a nanostruktur. Z této restrikce prostoru vyplývají unikátní vlastnosti,které makrolátka nezná. Železo Fe rozpustné, žluté. CdAs polovodič - červený až žlutý, svítí (luminiscence), rozpustný. Uhlík červený, rozpustný. Si plovodič - svítí (luminiscene), rozpustný v org. kap., bl. žlutý a pod. Nebývalé optické, elektrické a magnetické vlastnosti!!! Nanovlákna (např uhlíkové) s makorolátkou vytvářejí nanokompozity s unikátními super-vlastnostmi (např.váhou 14x lehčí než ocel a s 10x větší pevností) Unikátní vlastnosti vyplývají z jejich fyzikální podstaty a ta je dána jejich rozměrovým vymezením jinými slovy prostorem, ve kterem vznikají. Metody přípravy a manipulace s malými objekty nebo atomy se rozumějí jako nanotechnologie. Nano-prostor v kterémčástice a struktury vznikají může byt ohraničen v jednom, ve dvou nebo ve všech třech směrech (x,y,z). Mluvíme tedy o rozměrové lokalizaci (1D,2D,3D). Konstrukce nanočástic může se tedy rozvíjet buď ve všech třech dimenzích (x,y,z ), ve dvěch v jedné nebo v nulové t.j. žádné - jeji konstrukce ukončená ve všech třech směrech. Mluvíme zde o rozměrové delokalizaci (3D,2D,1D). FYZIKÁLNÍ PODSTATA VLASTNOSTÍ NANOSTRUKTUR Fotonické struktury Elektronické struktury MANIFESTACE UNIKÁTNÍCH VLASTNOSTÍ Luminescence of nanoparticles Luminescence of nanoparticles Cd 3 As 2 in aqueous solutions in UV light ZnO in propanol-2 sol. in UV light MANIFESTACE UNIKÁTNÍCH VLASTNOSTÍ Increasing particles size from left to right Weller H., Fojtik A., Henglein A.: Photochemistry of Semiconductor Colloids:Properties of Extremely Small particles of Cd3P2 and Zn3P2. Chem.Phys.LettVoI.117, No.5 (June 1985) p.485 2

3 MANIFESTACE UNIKÁTNÍCH VLASTNOSTÍ UKÁZKA SYNTETICKÝCH NANOSTRUKTUR Regulátor pro molekulární montáž Jednoduché selektivní čerpadlo Neonu Planetární molekulová převodovka (nová verze) UKÁZKA SYNTETICKÝCH NANOSTRUKTUR Planetární molekulová převodovka (starší verze) Molekulová rozdílová převodovka Diamantové ložisko UKÁZKA PŘIROZENÝCH NANOSTRUKTUR Fotorefraktivní polymerové kompozity Bakteriorodopsin jako chromofor UKÁZKA PŘIROZENÝCH NANOSTRUKTUR motivace: model lidského oka UKÁZKA PŘIROZENÝCH NANOSTRUKTUR Kvantové tečky Carbonnanotubes Fullerene C-70 Fullerne-beardmore Fullerene C-60 Fullerene C-60 3

4 Ukázky nanotechnologických aplikací 1) Může nanotechnologie přispět k řešení současných problémů IO (in( integrovaných obvodů) a pomoci s jejich budoucími aplikacemi? 2) Jaké jsou v současné době hlavní problémy v oblasti rozvoje počítačové techniky,konstrukce výkonných čipůč a integrovaných obvodů? Moorův zákon Počet tranzistorů v čipu Délka elekrických vodičů (m/cm 2 ) Year Rok výroby Řešení je jednoduché. Nahradit elektrické spoje optickými spoji koherentního světla. Implementovat do struktury IO laser. Tepelná ztráta (W/cm 2 ) Velikost mikro-elektronických komponentů Když je problém tak jednoduchý,proč se to už nerealizovalo..?? Může Si laser vyřešit problémy? (může, ale..) Si a Ge mají nepřímy band gap netvoří laserové struktury! Není možné vytvořit laser!!!! Důvod: nesymetrie prostoru!!! A jiné polovodiče nelze použít z důvodu Si-CMOS technologie Si Raman laser není také řešení,nemá Si CMOS technologii. Existuje řešení??? 4

5 Pomůže silikonová nanotechnologie?? Existuje idea: Prostorovou restrikci uříznout bod nesymetrie a tím podmínit přímý band gap. Si by měl laserovat PŘÍPRAVA SVÍTICÍHO KŘEMÍKU. Udělají se velké částice křemíku. Na povrchu se oxidují na vrstvu SiO 2. Vrstva SiO 2 se rozpustí v kyseline HF. Zmenšená částice se opět pomalu oxiduje. Oxid SiO 2 se opět rozpouští. Tento proces se opakuje a kontroluje dokud Si částice nezačnou svítit. Toť vše!!!! Fojtik A.,Giersig M.,Henglein A.: Formation of Nanaometer-Size Silicon particles in a Laser Induced Plasma i SiH4. Ber.Buns.Phys.Chem. Vo1.97,No.11 (1993)p.1493 Fojtik A.,Henglein A.: Luminiscent Colloidal Silicon Particles. Chem.Phys.Letters 221 (1994)p.363 FojtikA.,HengleinA.: Luminescece of Colloidal Silicon Suspendions: Quantum Yield,Quenching,and Surface Phenomena J.Phys.Chem. B, Vo.110,No 5,2006, p Příprava křemíkových nanočástic Příklad LED struktury s použitím Si nanokrystalů Example of LED Structure Using Si NanoCrystals Chemické leptání ~ 10 nm výchozí velikost Velikosti nanočástic Fotoluminiscence nanočástic Si v roztoku cyklohexanu ~3 nm Rectification factor was abaut five ordes at 7V ~1 nm Ukázky záznamu EL a PL spekter Uchovávání optoelektrických a elektrooptických informací. Gorner H.,Fojtik A.,Wroblewski J.,Currell L.J.: Singlet Mechanism for Trans-Cis Photoisomerization of Quartery Salts of 4-Substituted 4'-Azastilbenes (R=CN, H, CH3 and OCH3) and their Quinolinium Analogues. Z.Naturforsch. 40a, 525 (1985) 5

6 Fotorefraktivní polymerové kompozity LOGICKÉ OBVODY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI Studium těchto materiálů je motivováno aplikacemi Holografická paměť Optické zpracování obrazu Pyrazolin Antracen-derivat Antracen-derivat NANOSTRUKTURY JAKO DETEKTORY ČISTOTY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ DETEKCE: nežádoucích plynů, virů, částic a záření- čistota životního prostředí Pd-InP-Schottky-Sensor NANOTRUBICE NANOVLÁKNA NANOKOMPOZITY Nanohydraulic-piston-large Nanotubes-multiwall-largeb Optické nelineární vlastnosti nanočástic. Když byly publikovany naše první práce o měření polarizace excitonů a jeho důsledcích, dále práce o možnosti uložení několika elektronů na nanočástici a měření následných efektů, pak přátelé s TU-Göttingen meřili na našich materiálech nelineání efekty. Na mřížkách dochází k odrazu a zesílení o procent. U nekoherentního záření. NANOSTRUKTURY VYZBROJENÉ PRO BOJ S VIRY 6

7 NANOSTRUKTURY VYZBROJENÉ PRO BOJ S VIRY UKÁZKY NANOSTRUKTUR A BOJOVNÍKY Z VIRY Thank you for your attention 7