Aplikované nanotechnologie II

Transkript

1 Katedra experimentální fyziky Univerzita Palackého v Olomouci Aplikovaná fyzika Prezentace k přednášce Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika MEMS, NEMS a molekulární stroje Nanoměření II Aplikované nanotechnologie II

2 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Přehled nanoelektroniky CMOS elektronika Buňková pole Tolerantní k chybám Inspirovaná biologií Kvantové počítání Architektura RSFQ 1D struktury Rezonanční tunelování Jednoelektronová zařízení Molekulární QCA Spinové tranzistory Logika Fázová změna Floating body DRAM Nano FG Jednoelektronová Insulator resistance change Molekulární Paměti Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 2

3 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Omezení současné elektroniky CMOS elektronika založená na využití polovodičů převážně CMOS technologie planární technologie ztrátový tepelný výkon dotování polovodičů spínací doby délka a počet vodičů prodlení, větší odpor (průřez) Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 3

4 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Škálování CMOS tranzistoru CMOS elektronika MOS tranzistor průchod proudu ovlivnitelný polem (napětím) důležitým parametrem je délka hradla L G CMOS použití PMOS a NMOS zmenšení rozměrů vede ke snížení L G vliv na I on, I off přiblížení vyprázdněných oblastí snížení potenciálové bariéry vliv tloušťky oxidové vrstvy e redukce rozměrů problémy s propojením Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 4

5 NanoMOS Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů CMOS elektronika rozměry až L G = 16 nm problémy s vrstvou oxidu získání homogenních vlastností na čipu vznik slabých míst omezení nepříznivého vlivu drsnosti průchod dopantů z jedné oblasti do druhé tunelování proudu jiné technologie než CMOS HEMT supravodiče molekulární elektronika jiné architektury (optické, kapacitní) Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 5

6 Nanotrioda Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů CMOS elektronika princip vakuové triody v pevné látce (mikrovakuová elektronika MVE) využívá polní emise z W sloupků Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 6

7 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Adaptace pro nanosystémy Paralelní architektury Softcomputing velký počet velmi malých prvků problém s propojováním vodiči (adresace, programování apod.) vhodná lokální struktura prvek interaguje jen se svým okolím opakování stejného motivu velká chybovost mnoho prvků bude vadných i klasické polovodiče mají velký rozptyl parametrů jediný vadný prvek v CMOS způsobí nefunkčnost, redundance je drahá nutná robustnost citlivost na okolní podmínky projevy kvantového světa samokonfigurování, samooptimalizování, samoléčení tolerance k defektům schopnost pracovat i bez fyzické opravy klasické počítače/procesory velká různorodost jednotek limity technologie špatné zmenšování architektur s dlouhými vzdálenostmi Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 7

8 Paralelizace Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing zvýšení výkonnosti pomocí současných výpočtů současné systémy: jeden či několik procesorů/jader fyzické oddělení paměti (dat a programu) a procesoru jednoduchá architektura a realizace většina obvodů je v daném čase neaktivní a generuje ztrátové teplo paralelní uspořádání náročné na harmonizaci F účinnost závisí na definici F F kritérium čas: stačí paralelní uspořádání η η 0 0 kritérium frekvence/plocha čipu: F 1 F 1 F 2 paralelní suboperace F 2 η 0 =Nη 0 η 0 =Nη 0 Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 8

9 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Optimální paralelizace Paralelní architektury Softcomputing maximální dosah parazitní kapacity, např. 10 nm při 10 GHz zpoždění např. 3 3, výstupy v různém čase, řízené zpoždění stupeň paralelizace P p = N pj /N op celkový čas výpočtu t p = t 0 P p, t 0 čas jedné operace tepelné ztráty dynamické P dyn = C L U 2 nap f c úměrné čtverci napětí, nezávisí na paralelizaci statické úměrné stupni paralelizace (úniky proudu) existuje optimální stupeň paralelizace τ Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 9

10 Systolická pole Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing systolická pole název podle pravidelného rytmu má pravidelné uspořádání data polem prochází podobně jako krev v cévách aplikace např. lineární programování matice W = (w ij ), vstupní vektor X = (x 1, x 2, x 3 ) a výstup Y y 1 = w 11 x 1 + w 12 x 2 + w 13 x 3 v každém cyklu se provede pronásobení a přičtení hodnoty zleva po třetím kroku je výsledek y 1, po pátém y 3 současně s y 2 lze získat z 1 výpočet 27 násobení jen s 9 prvky Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 10

11 Systolická pole Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing systolická pole název podle pravidelného rytmu má pravidelné uspořádání data polem prochází podobně jako krev v cévách aplikace např. lineární programování matice W = (w ij ), vstupní vektor X = (x 1, x 2, x 3 ) a výstup Y y 1 = w 11 x 1 + w 12 x 2 + w 13 x 3 v každém cyklu se provede pronásobení a přičtení hodnoty zleva po třetím kroku je výsledek y 1, po pátém y 3 současně s y 2 lze získat z 1 výpočet 27 násobení jen s 9 prvky Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 10

12 Systolická pole Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing systolická pole název podle pravidelného rytmu má pravidelné uspořádání data polem prochází podobně jako krev v cévách aplikace např. lineární programování matice W = (w ij ), vstupní vektor X = (x 1, x 2, x 3 ) a výstup Y y 1 = w 11 x 1 + w 12 x 2 + w 13 x 3 v každém cyklu se provede pronásobení a přičtení hodnoty zleva po třetím kroku je výsledek y 1, po pátém y 3 současně s y 2 lze získat z 1 výpočet 27 násobení jen s 9 prvky Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 10

13 IRAM Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing procesory s velkou pamětí velký výkonový rozdíl mezi pamětí a procesorem chache nemá svou vlastní cenu, jen zaplňuje mezeru RISC architekturu lze snadno integrovat na paměťový čip inteligentní RAM IRAM různé možné výhody: např. energetická účinnost aktivace jen nutného modulu max. hodinový kmitočet adresní prostor (doba operace) a kapacita paměti (větší zpoždění) vícebranné paměti př. součet vyžaduje 3 přístupy (2 čtení, 1 zápis) tříbranná pamět umožní v jednom cyklu šestibranná paměť vykoná dva součty Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 11

14 Rekonfigurace Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing rekonfigurovatelné počítače složené z opakující se architektury každý element obsahuje lokální instrukční jednotku a paměť dat logickou funkci jednotky lze programovat přes rekonfigurovatelné logické bloky možnost rekonfigurace převádí hardware na software např. adresovatelné spínače look-up tabulky (LUT) místo výpočtů lze výsledek vyhledat kombinace vstupních hodnot slouží jako adresa aritmetická jednotka je nahrazena pamětí + když máme paměť, můžeme i počítat + čas výpočtu nezávisí na operátoru, ale na technologii a struktuře paměti + lze-li měnit obsah paměti, lze funkci přizpůsobovat složité/přesné operace vyžadují velkou kapacitu paměti složitost adresovacího obvodu Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 12

15 Teramac Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing zkušební realizace počítače tolerantního k chybám 10 6 logických jednotek, 1 MHz, top-down přístup záměrně vadné součástky, defektů rekonfigurovatelné schéma, použití tlustého stromu konstrukce výpočty pomocí LUT (6 vstupů) 16 LUT spojeno přes X-bar hexant 16 hexantů přes 4 X-bary tvoří logický čip (LC) 8 LC komunikuje přes FPGA ve funkci směrovacích čipů (RC) a tvoří multičip (MCM) deska tištěných spojů (PCB) má 4 MCM 8 PCB tvoří Teramac závěry popis funguje při dostatečné komunikační kapacitě najít zdravé jednotky struktura nemusí být regulární, ale musí být velký stupeň propojení nejpočetnějším prvkem jsou dráty Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 13

16 Softcomputing Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing využití fuzzy systémů, genetických algoritmů a umělých neuronových sítí důraz na autonomní systémy (obtížné programování) fuzzy systémy strukturování a programování pomocí lingvistických dat zpracování je odolné vzhledem ke změnám absolutních hodnot veličin zpravidla stačí do 5 pravidel evoluční algoritmy vhodná volba cílové funkce mutace a křížení dat connectionistic systémy jednotlivé procesory jsou přímo spojeny síla vazeb určuje chování sítě speciálním případem jsou neuronové sítě Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 14

17 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Rozložené a odolné úložiště Paralelní architektury Softcomputing asociativní paměť nevyužívá adresu asociativní matice váha buď jedna, nebo nula ve fázi učení se nastaví jedna v uzlu, kde x = 1 a y = 1 při vybavování se vstup X pronásobí s každým sloupcem vah, výsledky se sečtou a prahují volba prahu určuje věrohodnost snížení prahu toleruje chyby každá informace je uložena v celém objemu matice funguje jen pro řídké matice Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 15

18 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Rozložené a odolné úložiště Paralelní architektury Softcomputing asociativní paměť nevyužívá adresu asociativní matice váha buď jedna, nebo nula ve fázi učení se nastaví jedna v uzlu, kde x = 1 a y = 1 při vybavování se vstup X pronásobí s každým sloupcem vah, výsledky se sečtou a prahují volba prahu určuje věrohodnost snížení prahu toleruje chyby každá informace je uložena v celém objemu matice funguje jen pro řídké matice Σ Y Σ Y Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 15

19 Speciální hradla Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing vícehodnotová logika (např. i ukládání do pamětí) Fredkinova hradla běžná hradla vedou ke ztrátě informace spojení s entropií a disipací energie ohřev E = k B T ln 2 H tři vstupy (u, x 1, x 2 ) a výstupy (v = u, y 1 = ux 1 + ux 2, y 2 = ux 1 + ux 2 ) použije se jen jeden žádoucí výstup, ostatní jdou do odpadu k ohřevu dojde až mimo hradlo ohřev významný u molekulárních procesů (obtížné chlazení) využití např. u = a, x 1 = b, x 2 = 0 získáme AND y 1 = ab většinová hradla výstup je roven převažující hodnotě na vstupu např. x 1 = 0, x 2 = 0, x 3 = 1 dává y = 0 zároveň univerzální hradlo: 1 1 je-li řídící signál 0, realizuje AND 0 0 je-li řidící signál 1, realizuje OR důležité pro chybující nanosystémy AND OR potřeba rozhraní s konvenční Boolovou algebrou Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 16

20 Biologické sítě Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty Bioelektronika mozek jako nanosystém pro zpracování informací neuron složený z jádra, dendritů a axonů rozměr neuronu mm, délka axonu až 1 m komunikace pomocí dendritů (synapse) krátkodobé uložení elektrické signály dlouhodobé uložení biochemické změny v synapsích 1. aproximace neuron jako prahové hradlo: velký výstupní signál v případě, že vstup překročí práh výstup nezávisí na rychlosti vstupu w 1 w 3 w 2 Σ S w 4 vstupy součtový uzel aktivační funkce výstup Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 17

21 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Integrace neuronů s křemíkem Biologické koncepty Bioelektronika neuron na Si povrchu ve vhodném roztoku neuron roste růst sleduje kanály na povrchu Si rozvětvení kanálů vede k rozdělení nervových vláken podél vláken se šíří elektrické pulzy jeho elektrické pole ovlivňuje MOS struktury příklad interakce: náboj nervového vlákna ovlivní náboj na povrchu Si, což vytvoří vodivý kanál mezi S a D MOS tranzistoru hustota integrace je nízká aplikace zajímavá např. pro lékařství Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 18

22 Další možnosti Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty Bioelektronika metody napodobující biologické funkce modelování neuronů pomocí VLSI obvodů náhradní obvod s charakteristikou podobnou neuronu nabíjení kondenzátoru, překlopení výstupu, následné vybití kondezátoru a děj se může opakovat model pracuje i v podprahové oblasti neuronové sítě In T 3 T 5 U B Out T 4 T 6 T 2 T 1 U P Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 19

23 DNA počítače Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty Bioelektronika probíhají chemické reakce s DNA, které řeší nějaký problém masivní paralelizace, velká kapacita paměti data jsou zakódována do posloupnosti A, C, T, G v DNA biochemické laboratorní techniky imitují aritmetické operace hustota informace (4 stavy) je 1 bit/nm 3, 1 litr asi bází DNA výpočty nejsou bezchybné je třeba vybrat správné řešení DNA musí být redundantní, přírodní většinou není aplikace: různé vyhledávací problémy, hledáme jeden řetězec v konkurenci se zrychlujícími PC nemusí uspět aplikace funkce f na neznámý fragment DNA použití PC by vyžadovalo sekvencování a digitalizaci polymeráza kopíruje DNA, Turingův stroj Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 20

24 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty Bioelektronika Problém obchodního cestujícího klasický případ hledání hamiltonovské cesty známé algoritmy pro rozhodnutí, zda hamiltonovská cesta existuje nebo ne exponeciální náročnost v nejhorším případě neexistuje polynomiální algoritmus nedeterministický přístup vytvořit náhodné cesty skrz graf ponechat pouze ty cesty, které začínají v počátečním a končí v koncovém bodě má-li graf n bodů, ponechat pouze cesty s délkou n ponechat pouze ty cesty, které každým uzlem projdou alespoň (jen) jednou zůstala-li alespoň jedna cesta, problém má řešení lze potvrdit existenci cesty, ale nelze vyvrátit Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 21

25 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Realizace DNA počítače Biologické koncepty Bioelektronika realizace: 10 merů pro kód vrcholu O i, 20-mer pro hranu O i j, syntéza řetězců, smíchání s O i a O i j, dojde ke sloučení a vytvoření DNA náhodných cest PCR s využitím O in a O out, jen tyto cesty se zesílí průchod gelem, vyříznutí pásu 140 bp ( 7 vrcholů), získá se DNA, zesílí se PCR a vyčistí vyčištění pomocí mag. separace převede se dsdna ssdna inkubuje se s O 1 s navázanými mag. kuličkami magneticky se odseparuje opakuje se postupně s O 2,... nejnáročnější část PCR zesílení a identifikace Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 22

26 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Zhodnocení DNA počítače Biologické koncepty Bioelektronika Adleman 1994: 6 vrcholů/měst výpočet asi 7 dnů (1 den mag. separace), operací hmotnostní problém pro 200 měst množství DNA převýší hmotnost Země využití dalších algoritmů, např. neuronových sítí, genetických algoritmů atd. z 1 J lze získat operací termodynamický limit , konvenční počítač Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 23

27 Bioelektronika Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty Bioelektronika inspirace biologickými systémy, wet electronics základem je analogie buněčné membrány Langmuirův-Blodgettové dvojvrstva přidání pórů jako iontových kanálků vhodné molekuly mohou kanály aktivovat řízený spínač molekulární procesory: zpracování informace pomocí enzymů receptory převedou vstup na molekuly pokud se molekuly vážou s enzymy, lze aktivovat daný výstup program závisí na receptorech a read-out enzymech jako nosiče dat slouží molekuly pohybují se tepelně, velmi pomalu, rozumná rychlost paralelizace Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 24

28 DNA biočipy Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty Bioelektronika pro analýzu biologických vzorků testování nemocí nebo kvality potravin microarray pole Au plošek, pokrytých různými ssdna vpustí se analyzovaný roztok (označený) analyzované molekuly se navážou jen v místě s komplementární ssdna propláchnutí a detekce navázání (např. elektrická, optická fluorescence) obdobně pro proteiny atd sond Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 25

29 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Požadavky na technologii Molekulární elektronika Kvantová elektronika vztah k současné technologii krátkodobý horizont: nejde o nahrazení CMOS, ale o integraci nových technologií dlouhodobý horizont: kompletně nová technologie požadavky na vhodnou technologii schopnost masové produkce amplitudové zesílení (nelinearita) možnost rozvětvení výstupu (výkonové zesílení) dobré odstínění vstupů a výstupů funkce obvodu nezávisí na stavu obvodů připojených k jeho výstupu dobrá průchodnost signálu přes tisíce a více modulů odolnost vůči malým odchylkám v prostředí či výrobě u malých rozměrů lze z požadavků slevit Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 26

30 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulové kaskády Molekulární elektronika Kvantová elektronika mechanické molekulové zařízení uspořádání molekul CO pomocí STM za nízkých teplot molekula tuneluje mezi sousedními vazebnými místy pohyb jedné molekuly CO na Cu(111) vyvolá pohyb druhé, atd. (jako kostky domina) molekulová kaskáda trimery mají tři uspořádání bent-line (chevron) přechází na symetrické (v minutách) princip operace molekuly se vhodně rozmístí spouštěcí molekula se přemístí STM první chevron chevron se rozpadne a vytvoří druhý atd. dopředný směr je doprovázen poklesem energie okrajové molekuly zvyšují rychlost možnost realizace logických operací rozpadlý stav je log. 0 AND: oba vstupy log. 1, jinak se nevytvoří chevron ve spoji i složité obvody (545 molekul) Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 27

31 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Rozdělení nanozařízení Molekulární elektronika Kvantová elektronika Kvantová nanoelektronická zařízení Pevnolátková Molekulární Kvantové tečky Rezonanční tunelovací Jednoelektronové Hybridní mikro nano Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 28

32 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení realizace zařízení z jednoho nebo několika objektů o velikosti molekuly funkci mohou vykonávat: molekuly připravené chemií ve velkých množstvích, reprodukovatelně, mají definované diskrétní spektrum, mohou být bistabilní, self-assembly biomolekuly nanočástice kvantované úrovně vlivem prostorového omezení, robustnější a méně citlivé než molekuly nanotrubičky a nanodráty ideálně celou funkci vykoná jedna molekula obecně problém kontaktu mezi obvody Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 29

33 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Kontaktování molekul Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení STM nebo AFM hrot SAM, ale i jediná molekula velmi univerzální proměnná vzdálenost nestabilní mechanicky řízený zlom opět lze řídit vzálenost planární nanomezera vertikální nanomezera pospojované nanočástice Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 30

34 Vlastnosti molekul Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení diskrétní energetické spektrum vazbou se rozšíří na Γ hladiny se mohou posunout předpoklad, že se příliš nezmění procházející proud dán polohou LUMO a HOMO Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 31

35 Slabá vazba Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení molekula si zachovává svou identitu interakce s oběma elektrodami je slabá U Γ přechod elektronu (tunelovým jevem) je postupný 1 buď se nejprve nabije molekula (A W F ) a pak elektron přejde na druhou elektrodu, 2 nebo se nejprve ionizuje molekula (W F I) a pak se náboj kompenzuje z první elektrody Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 32

36 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Silná vazba systém kov-molekula-kov vede na koherentní přenos náboje U Γ proud při zahrnutí rozšíření hladin I = 2e D(E) Γ 1Γ 2 Γ [f (E, µ 1) f (E, µ 2 )] d E Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 33

37 Molekulární drát Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení v alifatických řetězcích jsou saturované vazby izolátory π oligomery mohou být vodivé vodivost souvisí s délkou G = G 0 e βl Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 34

38 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární dioda a RD logika Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení nesymetrická molekula má nesymetrické spektrum nejlepší výsledky C 16 H 33 Q 3CNQ bez řetízku C 16 H 33 nefunguje realizace diody a odporu stačí k logickým funkcím Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 35

39 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární tranzistor Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení tranzistor typu FET molekula benzen-1,4-dithiolat hradlo posouvá energetické úrovně Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 36

40 Bistabilní molekuly Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení konfigurace molekul závisí na podmínkách může být více stavů zpravidla přepínání světlem aplikace v pamětích Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 37

41 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Elektromechanické zesilovače Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení využití C 60 a STM aplikace 20 mv modulace na piezo vede k modulaci 100 mv na zátěžovém rezistoru Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 38

42 Molekulární hradla Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení invertor: derivát pyrazolu, vstup koncentrace H +, výstup intenzita optické emise. Změna koncentrace H + z nízké na vysokou způsobí, že intenzita emise klesne z vysoké hodnoty na nízkou. Aplikujeme-li pozitivní logiku na oba signály, získáme funkci NOT. OR: derivát antracenu, chemické vstupy (koncentrace Na + a K + ), optický výstup (intenzita emise) ekvivalentů Na + /K + dává 0,053/0,14, současně dávají 0,14. Změny v koncentraci Na + a/nebo K + z nízké na vysokou změní intenzitu emise z nízké na vysokou. Použije-li se na všechny signály pozitivní logika, dostáváme hradlo typu OR. AND: derivát antracenu, chemické vstupy (koncentrace H + a Na + ), optický výstup, pozitivní logika Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 39

43 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Hradla bez chemických vstupů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení hradlo XNOR s elektrickými vstupy vratné redox procesy TTF vlákno (hodně π-e ) propleteno BIPY (málo π-e ) v roztoku acetonitrilu absorpční pás 830 nm, spojený s přenosem náboje elektrické vybuzení změna redoxního stavu TTF nebo BIPY při napětí +0,5 V oxiduje neutrální TTF jednotka a je odpuzována z dutiny hostitele, proto pás vymizí při 0,3 V se redukuje BIPY, což oslabí přitahování TTF a pás opět vymizí stav I1 = I2 = 1 vyžaduje obě napětí: nelze na jeden komplex, pouze v roztoku Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 40

44 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární přepínače Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení dvoustavový přepínač oranžový (422 nm) azopyridin 8 po H + přechází na červeno-fialový (556 nm) azopyridinium po přidání zásady se vrací zpět třístavový přepínač tři vstupy UV světlo (I1), viditelné světlo (I2) a koncentrace H + dva výstupy absorbance na 401 nm (O1): vysoká pro zelenožlutý stav 6 absorbance na 563 nm (O2): vysoká pro fialový stav 7 funkce spínače: bezbarvý spiropyran 5 po ozáření UV merocyanin 7 stav 7 izomeruje zpět na 5 ve tmě nebo po ozáření viditelným světlem alternativně přechází 7 na 6 po zpracování H + barevný stav 6 přechází na 5 po ozáření viditelným světlem, 7 po odstranění H + Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 41

45 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární systémy Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení současný stav pro každou funkci nová molekula teoretický návrh s pomocí modelů chemická syntéza ověření vlastností potřeba vhodné (a náhodné) volby vstupů do budoucna modulární koncepce: bloky AND, OR, NOT potřeba digitálního rozhraní mezi nimi zjednodušení návrhu Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 42

46 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Přenos informace mezi bloky Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení v běžné elektronice pomocí vodičů chemická komunikace třístavový přepínač při přechodech uvolňuje či zachytává protony na změnu koncentrace H + reaguje dvoustavový přepínač dochází k přenosu informace pro I1 = I2 = 0 může být výstup 0 nebo 1 v závislosti na historii paměťový efekt, sekvenční obvod optické schéma komunikace pomocí procházejícího svazku 563 nm realizace třívstupého hradla NOR 3 kyvety s třístavovými přepínači, každý nezávislý UV vstup jedna přepnutá kyveta sníží intenzitu na 4 %, dvě na 0 zapnutí UV přepne do 7, po zhasnutí UV návrat na 5 Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 43

47 Kvantové prvky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení založené na zmenšování klasických prvků jednoelektronové tranzistory pn přechod nahrazen tunelovacím přechodem nové realizace např. QCA, kvantová interference bohatší I-V charakteristiky, např. záporný odpor nové problémy vytváříme součástku s vrstvou QD díky vzájemné vazbě QD se chovají jako kvantový drát electron-wave tranzistor kolmo ke kanálu, protékanému elektrony, je zářez efektivní délku zářezu l lze řídit napětím je-li l = Nλ/2 zkrat, elektrony dále neprojdou je-li l = (2N + 1)λ/4 volně prochází dva sériově zapojené tranzistory mohou být AND hradlo electron-spin tranzistor Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 44

48 Split-gate tranzistor Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení hradlo rozdělené na dvě oblasti mezi nimi kanál kvantová jáma změna napětí mění tvar jámy změna vodivosti s růstem hloubky skokově roste vodivost velikost skoku z relací neurčitosti E t h energie úměrná U a 2e každý stav pod E F dva elektrony čas transportu náboje je e/i pak G = I U = 2e2 h jiná varianta využívá interference D G S G G G G D G S U g D G S Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 45

49 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Rezonanční tunelovací dioda (RTD) heterostruktury s dvojitou tunelovou bariérou vytvoří záporný diferenciální odpor podobně jako Esakiho dioda princip větší mezní frekvence (THz)/krátké sp. časy vliv tunelovacího času a efektivní kapacity kontaktní odpor, časové zpoždění v A kontaktu velmi malý výstupní výkon µw technologicky velmi malé parabolická struktura ekvidistantní aplikace: frekv. násobiče, oscilátory, směšovače, spínače lze i jako molekulární Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 46

50 Technologie RTD Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení konstrukce RTD teoreticky stačí 3 vrstvy, okolní vrstvy pro stabilitu jiná konstrukce 3 vrstvy VACH závisí na vzdálenosti QW Slovo 0 1 aplikace paměť pomocí 2 RTD Paměťový logická hradla uzel invertor, OR RTD díky velkému zisku dodává Bit rychlost spínání InGaAs AlAs InGaAs InAs InGaAs AlAs InGaAs Invertor OR U in U out U in1 U out U in2 dynamická logická hradla MOBILE stabilita zaručena vlastní bistabilitou necitlivost na únik náboje necitlivost na fluktuace parametrů jednotlivých prvků Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 47

51 Další aplikace RTD Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení lineární prahová hradla y(χ) = sign(χ θ), χ = N i=1 w ix i 6 RTD, 4 FET práh se zadá úpravou anody poslední RTD vícehodnotová logika diody mají různé polohy píků x 1 x 2 CLK y U U out RTD 1 x 3 x 4 Práh θ RTD 2 Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 48

52 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Rezonanční tunelovací tranzistory trojvývodové rezonanční tunelovací zařízení oddělení řízení od výstupu větší možnost rozvětvení vhodnější pro velké obvody realizace RTBT integrace do emitorové větve bipolárního tranzistoru Gated RTD integrace s FET, sériově/paralelně IC RTD-HEMT integrace s CMOS zvýšení rychlost a snížení disipace menší složitost obvodů: 1b komparátor CMOS: 18 zařízení RTD-CMOS: 6 zařízení RTD-FET Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 49 UCE

53 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Problémy RT zařízení Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení nevhodné materiály většinou polovodiče III V, dobře definovaná rozhraní multivrstev lepší je Si technika (Si/SiGe/Si) zvláště výhodné vlastnosti SiO 2 pro izolaci integrace s CMOS rok 2003 proudy v minimech jen snížení proudu na I v 0, architektura to musí tolerovat vliv hlavně pro nízké f, u vysokých nabíjení/vybíjení par. kapacit citlivost na fluktuace vstupních proudů a napětí klasický FET citlivý není teplotní rozmezí většinou nízké teploty, ale i pokojové extrémní citlivost na šířku bariéry problém homogenní přípravy Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 50

54 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Laser s kvantovou jámou (QWL) Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení princip stejný jako u objemových laserů v kvantové jámě rekombinují díry a elektrony snížení dimenzí vede k vylepšení některých charakteristik nízký prahový proud, úzké spektrum, vysoká char. teplota DOS má v QW stejnou hodnotu pro všechny energie, což vede k vyšší emisi a snížení teplotní závislosti E F struktura: materiál s malou šířkou zakázaného pásu (např. GaAs, 10 nm) je obklopen dvěma vrstvami s větší šířkou (Ga x Al 1 x As) šířka zak. pásma souvisí s indexem lomu, rozdíl asi 10 % omezení vln, Fabry-Perotův rezonátor problémy: A B C B C B C B C B A nedokonalé omezení záření mají také lepší využití elektronů vícenásobné kvantové jámy faktor omezení je vynásoben n 2 Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 51

55 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Lasery VCSEL a QD Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení povrchově emitující lasery výstupní otvor je ve směru proudu elektronů lepší výrobní výtěžek laser s kvantovými tečkami pokračování ve snižování dimenzí kvantové tečky jako aktivní medium potřeba uniformních teček vysoké kvality kvalita srovnatelná s plynovými lasery (QD jako umělý atom) nemají nevýhody spojené s polovod. nebo QWL lasery vylepšení např. v teplotní necitlivosti změnou velikosti QD lze laser ladit Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 52

56 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Laser s kvantovou kaskádou (QCL) unipolární lasery, elektronický vodopád srovnání: běžný polovodičový laser: k emisi dochází při rekombinaci elektron díra, tj. při přechodu mezi vodivostním a valenčním pásem QCL: uvnitř jednoho pásu se vytvoří podpásová struktura struktura: Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 53

57 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Laser s kvantovou kaskádou (QCL) unipolární lasery, elektronický vodopád srovnání: běžný polovodičový laser: k emisi dochází při rekombinaci elektron díra, tj. při přechodu mezi vodivostním a valenčním pásem QCL: uvnitř jednoho pásu se vytvoří podpásová struktura struktura: prokládání materiálů vytvoří periodickou strukturu (kvantové jámy) vznikne periodické elektrické pole vznik podpásů (K-P model) modulace pravděpodobnosti obsazení elektronem vhodný návrh inverze populace mezi dvěma sousedními podpásy nutnost depopulační hladiny vlnová délka závisí na rozdílu energií v jámě nezávisí na materiálu, lze více λ z jednoho v každém kroku emituje jeden foton větší výkon Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 53

58 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Detektory infrazáření s kvantovou jámou (QWID) detektory pro IR důležité v řadě aplikaci QW jako alternativa k HgCdTe technologii princip: taková šířka a složení, aby dvě energetické úrovně byly vzdáleny o energii detekovaného fotonu horní energie je buď v oblasti kontinua, nebo přímo pod bariérovou hladinou po přiložení napětí po ozáření přejdou elektrony na vyšší hladinu a pak buď volně odejdou, nebo protunelují vnějším polem účinnost závisí na absorpci záření, proudu vytvořeném nosiči, temném proudu a šumu. Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 54

59 QW modulátor Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení závislost absorpce excitony (vázaný stav elektron díra) na velikosti pole př. abs. spektrum GaAs/AlGaAs má pro V = 0 maximum asi 990 nm, s napětím se posouvá k větším λ a klesá transverzní transmisní modulátor na kontakty se přikládá závěrné napětí MQW 50 jam 9 nm intenzita prošlého světla je modulována napětím pro jednu vlnovou délku Fabry-Perotův modulátor PIN dioda s MQW vnitřní oblastí uvnitř Braggových zrcadel moduluje se intenzita odraženého světla mohou být on i off spínače paralelně rezistor nebo fotodioda Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 55

60 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Jednofotonová dioda Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení rozšíření LED technologie pomocí nanoteček základem PIN dioda v neprůhledné vrstvě je malý otvor, který odkrývá jen jednu tečku po vybuzení energetických hladin dojde k vyzáření jediného fotonu ostatní zdroje vytvářejí spíše shluky fotonů sled proudových pulzů vede na sled fotonů při malých proudech emise na 1,394 ev, při vyšších proudech druhá čára 1,399 ev (biexcitony) Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 56

61 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Fotonové detektory z nanoteček Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení při malé vzdálenosti či vysokém poli dochází k rezonančnímu tunelování elektrony s vyšší energií mají větší pravděpodobnost zvýšení tunelování vlivem fotogenerace elektronů vhodná volba vzdálenosti dá tranzistorovou charakteristiku velká vzdálenost bez ozáření netuneluje po ozáření proud vzroste QDIC integrované obvody z kvantových teček Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 57

62 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Jednofotonový detektor Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení založen na tranzistoru vrstva QD pár nm od vodivého kanálu vlastnosti kanálu jsou citlivé na změnu obsazení QD jediným elektronem foton vytvoří pár elektron díra elektron je zachycen tečkou změní se odpor kanálu a tím i proud výhody oproti: fotonásobičům: jednoduchá konstrukce, snadná výroba, robustní, nízké napětí, bez chlazení, vyšší účinnost lavinovým detektorům: menší vliv šumu počítání fotonů odstraní amplitudový šum Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 58

63 Celulární automaty Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení soustava velmi jednoduchých buněk uspořádané do pravidelné struktury každá buňka je popsána stavem S i stav se vyvíjí podle daných pravidel jednotlivé buňky se řídí stejným pravidlem nový stav S i+1 závisí na: předchozím stavu buňky předchozích stavech okolních buněk i jednoduchá pravidla vedou k zajímavému chování např. generátor náhodných čísel CNESW Si ***** 0 interakce jen s okolím vede na využití krátkodosahových interakcí vyžadují synchronizaci/časování citlivé na počáteční stav (přístup ke všem buňkám) Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 59

64 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Kvantové celulární automaty (QCA) základní princip (Notre Dame) výpočty nevyužívají proud elektronů, ale polohu čtyři (5) kvantové tečky, režim coulombovské blokády dva elektrony, vzájemně se odpuzují dva vzájemně odlišné stavy logické stavy základní prvky: drát, invertor, rozvětvení pokročilé obvody: RS klopný obvod vyžaduje složité časování 1 0 drát invertor rozvětvení S 1 Q R 0 majoritní Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 60

65 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Programování QCA Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení programování vstupů QCA pomocí snížení bariéry snížením napětí + původní stav + snížení napětí odebrání původního vstupu + + přiložení nového vstupu zvýšení napětí problémy chyba 10 nm u buňky velké 100 nm znemožní činnost omezení teploty slabost dipolové interakce Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 61

66 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Základy SE zařízení Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika využití Coulombovy blokády průchod/udržení po jednom elektronu jednoelektronový tranzistor struktura velmi podobná MOSFETu proud protéká jen tehdy, je-li počet elektronů v ostrůvku polovinový proud osciluje v závislosti na U g Source U g Gate Island SET U g Gate Drain U d U d Source Channel Drain MOSFET příprava šikmá depozice Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 62

67 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů CMOS kompatibilní realizace Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika problémem SE je hromadná realizace (vysoká přesnost) technika kompatibilní s CMOS výrobou využívá vertikální strukturu litografická definice drainu RIE leptání vrstvy drain, oxidu a části source vytvoření SAM APTESu ponoření do roztoku s Au nanočásticemi, jejich uchycení na stěnách výhody: tloušťka filmu velmi přesná vrstvy jsou zarovnané částice tvoří ostrůvky, jsou uchycené na stěnách, tj. nezáleží na laterálních rozměrech Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 63

68 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Logické aplikace SET Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika invertor dva sériově zapojené SET vícehradlé SET jeden ostrůvek ovliňuje několik hradel I D může být v nízkém nebo vysokém stavu např. pro realizaci XOR sudý počet hradel v log. 1 I D nízké Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 64

69 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Vícehodnotové aplikace SET Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika paměťový prvek uchovává počet elektronů výstupní napětí je multistabilní jednoelektronový kvantizátor Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 65

70 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů AD převodník se SET Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 66

71 Další SE zařízení Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika jednoelektronový oscilátor Ostrůvek R f SE = I e, R s R R Q obtížná praktická realizace (rezistor) standard stejnosměrného proudu Tunelový přechod (C,R) využití fázového závěsu mezi SE oscilátorem a přesným rf zdrojem při průchodu m elektronů za jednu periodu je I = mef velmi malý proud (pa) možnost realizace standardů odporu a teploty problém realizace SED požadavek E > 100k B T vyžaduje velmi malé rozměry (sub-nm pro RT) vliv náhodného náboje na pozadí Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 67

72 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Supravodivá elektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika Další systémy výhody supravodivých prvků: přenosové linky nejsou disperzní i krátké 1ps pulzy projdou bez zkreslení spínací časy až 1 ps, tj. vysoké frekvence velmi malý disipovaný výkon nevýhody: obtížnější konstrukce a miniaturizace nízké teploty stará konstrukce: přechod mezi supravodivým a normálním stavem nemá praktické využití (omezená rychlost tepelného přechodu) logická zařízení cryotron nové aplikace využívají kvantum magnetického toku celulární automaty jako QCA, místo elektronů kvanta Φ 0 Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 68

73 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika Další systémy Logika s jedním kvantem magnetického toku (SFQ) využívají Josephsonova přechodu a rezistoru I B I je-li I in in = 0, prochází pouze I B < I C systém je v supravodivém stavu, logický stav 0 zvýšení I in vede k I in + I B > I C přechází do normálního stavu, logický stav 1 po odeznění I in se vrátí do stavu blízkého logické 0, úplně přejde až po vypnutí I B to omezuje rychlost spínání I I C I B U U C 0 1 U C krátký vstupní impulz nutné jediné kvantum magnetického toku t Φ 0 = h 2e = 2, Wb informace je kódována napětím Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 69

74 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika Další systémy Rapid Single Flux Devices (RSFQ) využívají dynamického chování informaci kóduje přítomnost nebo nepřítomnost Φ 0 Josephsonův přechod je zkratován natolik, že nemá hysterezi využívají se dva přechody místo vodivého spojení je vložena cívka díky cívce má druhý přechod časové zpoždění zabraňuje úplnému přepnutí prvního přechodu po odeznění impulzu se vrátí do původního stavu trvale supravodivý stav velmi rychlé při vhodných rozměrech právě jedno Φ 0 zpracovávají se napěťové pulzy technologie: výchozí materiál Nb (4 6 K) nebo vysokoteplotní YBaCuO (40 77 K) izolační vrstvy z SiO nebo SiO 2 izolace Josephsonova přechodu z Al 2 O 3 taktovací frekvence až 900 GHz I in I B U U C Φ 0 t Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 70

75 RSFQ hradlo Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika Další systémy složeno ze tří modulů: buffer přenáší krátké pulzy uchování informace obsahuje proudovou smyčku pro uchování informace rozhodovací obvod: chrání vnitřek obvodu před signály na výstupu rozhoduje o přenosu impulzu směrem ven logická úroveň 1 přítomnost impulzu během taktovacího cyklu Hodiny Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 71

76 Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Nanopiezoelektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika Další systémy nanogenerátor: ZnO NW na α-al 2 O 3, vodivý AFM hrot, R L = 500 MΩ, kontaktní skenování nanopiezotranzistor: nanodrát mezi dvěma elektrodami, mechanické namáhání mění elektrické vlastnosti senzor síly Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 72

77 Moderní paměti Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika Další systémy již dříve uvedené: pomocí technologií RTD, SET, RSFQ, molekulární feroelektrické paměti (FeRAM) využívají hystereze u feroelektrických materiálů magnetické paměti (MRAM) využívají magnetorezistanci, celá řada principů: anizotropní, GMR, spinová chlopeň, magnetické tunelovací přechody, Hallův jev zdokonalení současných principů integrace nanoteček, SET apod. další technologie polymerové chalkogenidové (S, Se, Te) nanotrubičkové lze i jako mikromechanické fotonické Aplikované nanotechnologie II Nanoelektronika 73

78 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Úvod Materiály a technologie MEMS senzory Mikroelektromechanické systémy definice MEMS/MST miniaturní rozměry většina zařízení do stovek µm, tloušťky do desítek integrovaná konstrukce přeměna jednoho typu energie na druhý obecněji: alespoň část cesty musí být neelektrická většinou vyžadována mechanická energie pohybové členy, mikrosenzory volnost definice mech. pohybu: rms senzory technologie tvorba malých rozměrů s velkou přesností, volnost návrhu (složitější než IO) rozhraní s mikroelektronikou velká výtěžnost, nízká cena, spolehlivost Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 74

79 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Úvod Materiály a technologie MEMS senzory Mikroelektromechanické systémy definice MEMS/MST miniaturní rozměry MEMS je hromadně vyrobený integrovaný mikroskopický systém, který: většina zařízení do stovek µm, tloušťky do desítek převádí integrovaná fyzikální konstrukce podněty, události a parametry na elektrické, optické přeměna a mechanické jednoho signály typu energie a opačně; na druhý vytváří obecněji: pohyb, snímá alespoň nebo část vykonává cesty musí jinou býtfunkci; neelektrická většinou zahrnuje vyžadována řízení, diagnostiku, mechanická zpracování energie signálů a sběr dat a zároveň pohybové jsou mikroskopické členy, mikrosenzory vlastnosti elektromechanických, elektronických, optických volnost definice a biologických mech. složek, pohybu: architektur rms senzory a operačních principů základem funkce, návrhu, analýzy a výroby MEMS. technologie tvorba malých rozměrů s velkou přesností, volnost návrhu (složitější než IO) rozhraní s mikroelektronikou velká výtěžnost, nízká cena, spolehlivost Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 74

80 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Integrace s elektronikou Úvod Materiály a technologie MEMS senzory dvě možné cesty MEMS je na samostatném čipu snadná a levná výměna MEMS je integrován s elektronikou vyžaduje CMOS kompatibilní proces spojená technologie CMOS první CMOS poslední: vytvoření ostrůvků, MEMS, ochranná pasivace, vytvoření roviny, CMOS vzájemné propojení, odleptání pasivace vyšší počáteční náklady jediná možnost při náročných požadavcích zapouzdření složitější než u IO, každý MEMS vyžaduje něco jiného potřebujeme interakci s okolním světem pouzdro zvyšuje rozměry a může zhoršit výkonnost CMOS poslední Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 75

81 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Základní vlastnosti Úvod Materiály a technologie MEMS senzory MEMS pracují se signály 1 mechanickými (zahrnuje i gravitační působení) poloha, orientace, náklon, rychlost, topografie, deformace, mech. napětí, hustota, hmotnost lokalizované síly a momenty, setrvačné síly, rozložené síly (tlak) 2 elektrickými napětí, proud, výkon, kapacita, permitivita, odpor, frekvence, fázový posuv, spektrální složení 3 tepelnými teplota, entropie, tepelná kapacita, tepelný tok, tepelný odpor 4 magnetickými magnetická intenzita a indukce, magnetizace, permeabilita 5 radiačními (včetně částic) hustota a tok zářivé elektromagnetické energie, polarizace, koherence, spektrální složení, odrazivost 6 chemickými koncentrace, složení, ph, reakční rychlosti, rovnovážné konstanty Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 76

82 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Převodní principy mezi oblastmi Úvod Materiály a technologie MEMS senzory Mechanická Elektrická Tepelná Mechanická Elektrická Tepelná elastická a plastická pizeoelektřina kontaktní a termoelastické deformace, zlom tření elektrostatická síla, Ohmův zákon, odporová disipace tepla, piezoelektrické napětí, pn přechod, Peltierův jev, Lorentzova síla feroelektrické jevy, Thomsonův jev piezorezistance, tunelový jev, Hallův jev, magnetotranzistorový jev, fotovodivost, fototranzistorový jev tepelná roztažnost, volná konvekce celá matice má rozměr 6 6 mnohem více jevů Seebeckův jev, Nernstův jev tepelná vodivost, Thomsonův jev Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 77

83 Napájení MEMS Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Úvod Materiály a technologie MEMS senzory zajímavé zvláště u autonomních systémů různé způsoby dodávání energie: lokální uložení elektrická (kondenzátor, supravodivé smyčky) nebo elektrochemická (baterie) energie; problém s velikostí palivové články přenos optické a elektromagnetické energie laser a fotodioda, radiofrekvenční záření a antény (RFID) získávání energie z prostředí vibrační energie např. piezoelektricky teplená energie termoelektrické jevy jaderná energie rozpad, např. β: elektron nabije hrot ohebného nosníku ten se elektrostaticky přitáhne k podložce dojde k neutralizaci nosník odskočí a zakmitá piezoelektrický snímač Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 78

84 Materiály Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Úvod Materiály a technologie MEMS senzory dva typy materiálů objemové krystaly (bulk) dobře známé tabulkové parametry snadná charakterizace tenké vrstvy každá vrstva je unikát různé vlastnosti podle způsobu a podmínek přípravy obtížné zjišťování vlastností např. Youngův modul velmi tenká vrstva je ovlivněna podložkou odebrání od podložky ovlivní rozložení napětí Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 79

85 Křemík Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Úvod Materiály a technologie MEMS senzory monokrystalický Si výborné mechanické vlastnosti, E srovnatelné s ocelí; membrány apod. propracovaný technologický proces přípravy Si a struktur na něm polykrystalický Si jako strukturální materiál pro povrchové zpracování depozice pomocí LPCVD, lze dopovat (přítomnost B 2 H 6 či PH 3 ) zbytkové pnutí, žíhání, multivrstvy s tahovým a tlakovým napětím porézní Si elektrochemickým leptáním Si v HF aktivní adsorpční a obětované vrstvy oxid křemičitý SiO 2 používá se jako leptací maska i jako obětovaná vrstva krystalická forma křemen (piezoelektrický) nitrid křemíku Ni 3 Si 4 pro elektrickou izolaci, pasivaci a mechanický materiál PECVD leptatelný v HF, LPCVD chemicky odolný, tahové napětí Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 80

86 Křemík a kovy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Úvod Materiály a technologie MEMS senzory polykrystalické Ge mechanické vlastnosti srovnatelné s poly-si lze tvořit Ge membrány na Si, nelze nanést na SiO 2 polykrystalický SiGe nižší teploty pro depozici než poly-si dopovatelné lze nanést na SiO 2 leptání v H 2 O 2 : poly-sige odolné, poly-ge není kovové materiály kovové filmy pro tvorbu elektrod nejčastěji Al a Au, i pro propojení kovové slitiny s tvarovou pamětí, TiNi pro magnetické aplikace, NiFe, Ni začínají se používat i složitější slitiny Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 81

87 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Speciální materiály Úvod Materiály a technologie MEMS senzory polovodiče do drsných podmínek SiC polymorfní materiál, šířka zakázaného pásu od 2,3 ev Youngův modul dva- až třikrát větší než Si netaje, ale sublimuje nad C lze ho deponovat na velké množství povrchů mnoha způsoby obtížné objemové zpracování chemicky inertní leptací proces závisí na vodivosti, lze měnit implantací omezení geometrické složitosti lze vytvářet i sintrováním SiC prášku diamant velmi tvrdý, vhodný pro aplikace s otěrem samotný je izolant, lze dopovat B na typ p velmi vysoký Youngův modul vf aplikace polykrystalické nebo amorfní formy Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 82

88 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Speciální materiály Úvod Materiály a technologie MEMS senzory feroelektrické materiály pro využití piezoelektrického jevu PZT (Pb(Zr x Ti 1 x )O 3 ) lze nanést na jiné vrstvy (membrány apod.) tvarování suchým leptáním s Cl 2 /CCl 4 nebo iontovým svazkem příprava naprašování, CVD, sol-gel, tlusté filmy lze tisknout polymery polyimidy pro ohebné součásti (membrány) obětované vrstvy biokompatibilita využití jako podložka pro implantovaná zařízení parylen biokompatibilní příprava CVD při RT i na předchozích strukturách Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 83

89 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Technologie přípravy MEMS Úvod Materiály a technologie MEMS senzory tvorba volných struktur využití obětované vrstvy vytvoření upevňovacího otvoru nanesení materiálu odleptání obětované vrstvy při velkých plochách pomocné otvory objemové zpracování proleptání ze spodní části Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 84

90 LIGA Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Úvod Materiály a technologie MEMS senzory Lithografie Galvanik Abformung rtg fotolitografie větší hloubka ostrosti anizotropní lepání galvanický růst výška 50 µm, průměr 380 µm formování vlastnosti: výška až cm laterální rozlišení až 200 nm poměr výšky k šířce až 500 drsnost stěn pod 20 nm Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 85

91 MEMS senzory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS základní myšlenka: některý parametr okolí je schopen změnit mechanické charakteristiky převodníku tak, že je lze detekovat elektronicky, opticky nebo jinak měření: ohnutí rezonanční frekvence tlumení Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 86

92 Tlakové senzory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS využívají mechanizmy piezoelektrické, piezorezistivní, kapacitní a rezonanční piezorezistivní senzor čtyři piezorezistory na stranách membrány membrána jako mechanický zesilovač rozsahy Pa jednoduché na výrobu závislost na teplotě spotřeba energie omezení rozlišení: dlouhodobý drift tepelný šum rezistoru Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 87

93 Tlakové senzory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS kapacitní senzory nemají nevýhody předchozích Si membrána se prohýbá vlivem tlaku nelineární charakteristika omezený dynamický rozsah lze omezit použitím zpětné vazby (další elektroda nad membránou) kapacitní senzor s dotykem nad určitou mezí je lineární Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 88

94 Tlakové senzory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS kapacitní senzory nemají nevýhody předchozích Si membrána se prohýbá vlivem tlaku nelineární charakteristika omezený dynamický rozsah lze omezit použitím zpětné vazby (další elektroda nad membránou) kapacitní senzor s dotykem nad určitou mezí je lineární Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 88

95 Akcelerometry Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS měří zrychlení hromadná aplikace automobilový průmysl další aplikace řízení stability, navigace základní princip hmotné těleso na pružném závěsu detekuje se jeho pohyb vzhledem k pevnému rámu různé možnosti detekce piezorezistivní detekce vzniklého napětí kapacitní detekce pohybu Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 89

96 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Kapacitní akcelerometr Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS vertikální kapacitní akcelerometr těleso tvoří jednu elektrodu druhá je pod ním detekuje zrychlení kolmo k podložce otvory pro usnadnění leptání problémy s Brownovým pohybem Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 90

97 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Kapacitní akcelerometr Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS laterální kapacitní akcelerometr hřebenová struktura elektrod jedna skupina je pevná druhá se pohybuje podél podložky Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 91

98 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS Činnost kapacitního akcelerometru C 1 = ε S x 1 +x, C 2 = ε S x 1 x, C = C 1 C 2 = 2εS x x 2 x 2 1 z kvadratické rovnice Cx 2 2εSx Cx 2 1 = 0 určíme posunutí x pro malé x přibližně x x2 1 2εS C ideální pružina splňuje vztah F = kx z druhého Newtonova zákona je ma = kx, takže v případě reálné pružiny a = 1 m a = k m x = kx2 1 2mεS C ( k1 x + k 2 x 2 + k 3 x 3), x = x2 1 2εS C Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 92

99 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Akcelometry ADXL Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS ADXL202, x 1 = 1,3 µm dvouosý akcelerometr ±2g struktura se rozkmitává, zrychlení způsobí rozvážení výstupem je střída, pro a = 0 je s = 50 % ADXL335 trojosý akcelerometr ±3g Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 93

100 Gyroskopy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS měří úhlové zrychlení aplikace pro měření natáčení, stabilitu, virtuální realitu apod. využívají Coriolisovo zrychlení při úhlové rychlosti Ω je F C = Ω v vyžaduje dva kolmé pohyby kmitání v jednom horizontálním směru s konstantní amplitudou (elektrostatické buzení) otočení podél vertikální osy vyvolá C. sílu a dojde k pohybu struktury v kolmém směru max. rychlost kmitání max. síla: rezonanční buzení posuv se projeví změnou kapacity detekce s ohledem na rezonanční frekvenci v druhém směru Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 94

101 Gyroskopy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS duální gyroskopy sleduje rotaci ve dvou úhlech využívají rotující disk na 4 závěsech: závěsy uvádějí disk do rezonančního kmitání při pohybu má tvar vibračního módu tendenci zůstat stálý v prostoru vzniká prohyb kolmo k disku pod diskem je elektroda kapacitní detekce prohnutí Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 95

102 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Senzor ADIS1636x Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS senzory 6 stupňů volnosti trojosý akcelerometr ±17g trojosý gyroskop teplotní senzor pro kompenzaci rozměry kostka 23 mm digitální výstup, 14 bitů Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 96

103 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Chemický MEMS senzor Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS vytváření povrchových akustických vln (SAW) piezoelektrická vrstva prokládané elektrody jako generátor i senzor mechanických vln frekvence dána roztečí elektrod, MHz šíření vln je povrchové citlivost na povrchové modifikace polymerní absorbující vrstva absorbce se projeví změnou frekvence f c Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 97

104 Optické MEMS Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník současné optické systémy velké, objemové materiály drahá výroba (kusová, přesnost) vysoká spotřeba výhody z použití MEMS Digital Micromirror Device (DMD) uvedl Texas Instruments pro využití v projektorech i jiné aplikace např. 11b optický zeslabovač lepší rozlišení, jas, kontrast než klasická obrazovka pole malých zrcadel každé zrcadlo se může nezávisle natáčet Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 98

105 DMD Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník pod zrcadlem jsou dvě elektrody a paměťová buňka vlivem el. síly se zrcadlo natáčí o ±10 světlo z on zrcadel prochází projekční čočkou světlo z off zrcadel je odchýleno a absorbováno poměr dob on/off určuje stupně šedi barevné filtry dodávají barvu konstrukce vrchní Al zrcadlo (3 vrstvy) ostatní prvky ukryty (difrakce) CMOS kompatibilní nevýhody zrcadlo se může přilepit energetické ztráty u off zrcadel Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 99

106 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Grating Light Valve MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník konkurent DMD, využívá difrakce rovné vodivé vysoce odrazivé pásky v klidovém stavu všechny pásky rovné zrcadlo napětím se některé prohnou, vzniká difrakční mřížka Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 100

107 Optické platformy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník pro aplikace je třeba optoelektronických prvků nutnost precizního zarovnání (centrování) možnost přesného hýbání s prvky Mikroreflektor odrazné zrcadlo je táhly připojeno na dva lineární motory současný pohyb obou táhel zrcadlo zvedá rozdílný pohyb jej natáčí umožňuje směrování dopadajícího svazku navázání laseru do vlákna aplikace externích dutin Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 101

108 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Spínání optických dat MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník komunikace přes optická vlákna vyžaduje možnost přepínání většinou pomocí opticko-elektronicko-optických přepínačů převedou světlo na elektrický signál, ten se přepíná a pak převádí zpět na optický mezikrok zavádí zpoždění, energetickou náročnost a složitost je žádoucí spínání bez přerušení optické cesty MEMS umožňuje spínání polem zrcadel vstupní svazek lze aktivací příslušného zrcadla přesměrovat do výstupního vlákna realizace až matice pohyb zrcadla je omezen dvěma zarážkami řízen digitálně není třeba přesného řízení Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 102

109 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Spínání optických dat MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník realizace 2 2 vertikální torzní zrcadlo poly-si s Au vrstvou torzně uchyceno ve vertikální rámu vertikální zadní elektroda přiložení napětí přitáhne zrcadlo, světlo prochází magnetické zrcadlo změna polohy magnetickým polem spíše globální změna Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 103

110 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Sofistikované přepínače MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník lze realizovat i 3D spínání 2D pole zrcadel analogové zpětnovazebné řízení zrcadel libovolný vstup lze přepnout na libovolný výstup mírně odlišné optické dráhy potřeba kvalitních zrcadel Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 104

111 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Další optické MEMS MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník vlnové multiplexery světlo dopadá na mřížku difraktovaný svazek se fokuzuje na zrcátko dvě průchozí cesty dynamické spektrální ekvalizéry antireflexní přepínač vrstva nitridu tlustá 1 4 λ vzduchová mezera 3 4 λ odraznost 70 % po přiložení napětí a průhybu vrstvy klesne tloušťka mezery na λ/2 odraznost 0 % Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 105

112 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník Výroba zvedlých ploch a využití využití mikropantu polarizační dělič svazku 1 Fresnelova difrakční čočka 2 tenký film dělí TE a TM módy (dopad pod Brewsterovým úhlem) Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 106

113 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mechanické ladění a modulace MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník mechanicky laditelný laser změna vzdálenosti volí λ změna 31 nm kolem 935 nm modulace fáze mezera < λ, dochází k penetraci evan. pole mění se efektivní n a tím fáze změna optické mřížky Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 107

114 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Multiplexor a analyzátor MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník vlnový demultiplexor princip Fabry-Perot λ(v) = 2[nt + h 3V 2 L 4 /(h + t/n 2 )] integrace s detektory rozsah nm při 0 10 V spektrální analyzátor tlak záření ohýbá nosník pole nosníků, mřížka rozloží Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 108

115 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Radiofrekvenční MEMS MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník aplikace pro bezdrátovou komunikaci přijímače, vysílače, opakovače současné konstrukce využívají mnoho neintegrovaných prvků MEMS umožní integraci na jediném čipu Proměnné kondenzátory proměnné kapacity pomocí PN přechodů a MOS nízké Q, omezený ladicí rozsah, nelineární MEMS kapacitory změna pomocí změny: vzdálenosti desek Al deska µm 3, mezera 1,5 µm Al má nízké ρ, proto lze dosáhnout vysoké Q na vf přiložení napětí přiblíží desku k podložce překrytí desek překrytí dielektrika Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 109

116 Mikroinduktory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník běžné spirály na ploše desky mají nízké Q při vf vliv ztrát v podložce a rezistivity kovů při vf MEMS realizace: 3D induktor měděné pásky na izolujícím tělísku z Al 2 O 3 minimalizuje se plocha, která je blízko podložky 14 nh a Q = 16 při 1 GHz levitující induktor vytvořen z Cu, podpírán sloupky 14 nh, Q = 38 při 1,8 GHz svinutý induktor sbalí se sám vrstva pásků má vnitřní pnutí pásky se vzájemně protknou vrstva Cu pro lepší vodivost Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 110

117 MEMS spínače Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník kapacitní vodivá membrána podepřená sloupkem na spodní elektrodě izolační vrstva ve výchozím stavu je kapacita malá slabá vazba mezi elektrodami po přiložení velkého DC napětí se membrána přitáhne kapacita je velká (malá tloušťka dielektrika) silná vazba mezi elektrodami velmi malá spotřeba energie vyhovuje pro RF, nevhodné pro DC kovové jednostranně upevněný nosník s kontaktem na vnitřní části pomocná elektroda po přiložení pomocného napětí dojde k sepnutí doba odezvy 20 µs Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 111

118 MEMS rezonátory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník hřebenové rezonátory elektricky je lze uvést do mechanické rezonance to se projeví změnou kapacity výstupní proud má frekvenci mech. rezonance páskový filtr dva rezonující pásky spojené pružinou prostřední elektroda indukuje vibrace diskový rezonátor poly-si disk podepřený ve středu elektrody kruhově obklopují disk přivede se DC napětí a AC signál proměnné pole vyvolá radiálně působící sílu při shodě frekvencí periodická změna průměru výstupní střídavý proud malé ztráty díky upevnění Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 112

119 Mikronosník Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy nejjednodušší MEMS/NEMS tvořen jednostranně/oboustranně upnutým páskem obdélníkový průřez charakteristické vlastnosti závisí na geometrii (L, w, d) a materiálech (E) pro dynamické aplikace rezonanční frekvence f 0 činitel jakosti Q pro statické aplikace tuhost k široký rozsah velikostí senzor nebo pohybový člen základ mnoha měřicích metod (AFM) způsob přípravy vliv pnutí analýza vibračního stavu pomocí Euler-Bernoulliho rovnice L w Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 113

120 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Odvození vlastních frekvencí Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy Předpokládejme homogenní, přímý a nezkroucený nosník s konstantním průřezem. Je-li tloušťka d a šířka w nosníku mnohem menší než jeho délka L, dá se problém zjednodušit na jednorozměrný. Proto lze zanedbat i napětí σx a σy. Dále budeme předpokládat jen malé ohnutí. Poslední složku napětí lze napsat jako σz = kx, kde k je konstanta a poloha x = 0 je ve středu nosníku. Nepůsobí-li na nosník vnější podněty, musí být celková vnitřní síla nulová, tj. Fint = S σz d S = 0. Bez působení externího momentu je celkový ohybový moment roven momentu vyvolanému vlivem vnitřních sil a má pouze složku y, tj. M = My = S xσz d S = k S x2 d S. Poslední integrál závisí na průřezu nosníku a označuje se jako moment setrvačnosti Iy. Z poslední rovnice vyjádříme k a dosadíme do vztahu pro napětí σz = Myx. Dále použijeme Hookův zákon a píšeme εz = σz Iy E = Myx. EIy V dalším kroku musíme najít souvislost mezi napětím a posunutím ux(z, t) nosníku. Není-li ohnutí příliš velké, je jeho druhá derivace přibližně rovna křivosti, tj. 2 ux(z,t) = 1 d L d L0 (r x) d θ r d θ z 2 r. Prodloužení ε lze určit z předpokladu kruhového ohnutí, ε = d = L0 r d θ = x r. Po dosazení do předchozích rovnic získáme Euler-Bernoulliho rovnici My = EIy 2 ux(z,t). Protože na nosník nepůsobí žádné externí síly ani momenty, použitím Newtonova z 2 zákona dostaneme m 2 ux(z,t) = t 2 Fint a dále Mint = 0. Využijeme-li malých rozměrů nosníku, lze pro součet sil psát Fint = ( Fx + 1 Fx 2 z d z) ( Fx 1 Fx 2 z d z) = Fx z d z. Obdobně pro momenty platí ( ( Mint = My + 1 My 2 partialz ) d z My 1 My 2 z )+ d z ( Fx + 1 Fx 2 z d z) d z 2 ( Fx 1 Fx 2 z d z) ( d z ) 2 = 0, což vede k Fx = My z. Rozepsáním hmotnosti nosníku pomocí hustoty ρ a objemu získáme rovnici ρs 2 ux(z,t) = 2 My. Jednoduchou úpravou získáme t 2 z 2 výslednou rovnici ρs 2 ux(z, t) 4 ux(z, t) t 2 + EIy z 4 = 0. Uvedenou rovnici 4. řádu lze řešit metodou separace proměnných. V mnoha případech nám však stačí znát jen vlastní frekvence. Předpokládáme tedy oscilaci nosníku s frekvencí ω a rovnici fourierovsky transformujeme do tvaru ρs(iω) 2 Ux(z, ω) + EIy d4 Ux(z,ω) = 0. To můžeme dále upravit do tvaru d z 4 α 4 ω 2 Ux(z, ω) + d4 Ux(z,ω) = 0, kde α = d z 4 4 ρs. Řešení této obyčejné diferenciální rovnice lze hledat ve tvaru Ux(z, ω) = EIy B1 sin(αz ω) + B2 cos(αz ω) + B3 sinh(αz ω) + B4 cosh(αz ω). Konkrétní podmínky na možné rezonanční frekvence získáme aplikací okrajových podmínek. Výše uvedené odvození platí pro nosník jednostranně i oboustranně upnutý. Uvažujeme-li dále už jen jednostranně upnutý nosník, máme vždy dvě podmínky na obou koncích: v místě upnutí x = 0 musí být nulová výchylka (Ux(0, ω) = 0) i sklon nosníku ( d Ux(0,ω) d z = 0), na konci nosníku x = L musí být nulová síla ( d2 Ux(L,ω) = 0) i moment d 2 z ( d3 Ux(L,ω) = 0). Určením první, druhé a třetí derivace a dosazením okrajových podmínek získáme jednak vztah mezi koeficienty Bi, ale také podmínku d 3 z 2+2 cos(αl ω) cosh(αl ω) sin(αl ω) sinh(αl ω) = 0, která má netriviální řešení pouze pro frekvence, které jsou kořenem rovnice cos(αl ω) cosh(αl ω) = 1. Uvedená rovnice nemá analytické řešení, kořeny lze určit pouze numericky, zpravidla po substituci β = αl ω. Vlastní frekvence určíme zpětně ze vztahu ωi = β 2 i /L 2 EIy/(ρS). Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 114

121 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Odvození vlastních frekvencí Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy Předpokládejme homogenní, přímý a nezkroucený nosník s konstantním průřezem. Je-li tloušťka d a šířka w nosníku mnohem menší než jeho délka L, dá se problém zjednodušit na jednorozměrný. Proto lze zanedbat i napětí σx a σy. Dále budeme předpokládat jen malé ohnutí. Poslední složku napětí lze napsat jako σz = kx, kde k je konstanta a poloha x = 0 je ve středu nosníku. Nepůsobí-li na nosník vnější podněty, musí být celková vnitřní síla nulová, tj. Fint = S σz d S = 0. Bez působení externího momentu je celkový ohybový moment roven momentu vyvolanému vlivem vnitřních sil a má pouze složku y, tj. M = My = S xσz d S = k S x2 d S. Poslední integrál závisí na průřezu nosníku a označuje se jako moment setrvačnosti Iy. Z poslední rovnice vyjádříme k a dosadíme do vztahu pro napětí σz = Myx. Dále použijeme Hookův zákon a píšeme εz = σz Iy E = Myx. EIy V dalším kroku musíme najít souvislost mezi napětím a posunutím ux(z, t) nosníku. Není-li ohnutí příliš velké, je jeho druhá derivace přibližně rovna křivosti, tj. 2 ux(z,t) = 1 d L d L0 (r x) d θ r d θ z 2 r. Prodloužení ε lze určit z předpokladu kruhového ohnutí, ε = d = L0 r d θ = x r. Po dosazení do předchozích rovnic získáme Euler-Bernoulliho rovnici My = EIy 2 ux(z,t). Protože na nosník nepůsobí žádné externí síly ani momenty, použitím Newtonova z 2 zákona dostaneme m 2 ux(z,t) = t 2 Fint a dále Mint = 0. Využijeme-li malých rozměrů nosníku, lze pro součet sil psát Fint = ( Fx + 1 Fx 2 z d z) ( Fx 1 Fx 2 z d z) = Fx z d z. Obdobně pro momenty platí ( ( Mint = My + 1 My 2 partialz ) d z My 1 My 2 z )+ d z ( Fx + 1 Fx 2 z d z) d z 2 ( Fx 1 Fx 2 z d z) ( d z ) 2 = 0, což vede k Fx = My z. Rozepsáním hmotnosti nosníku pomocí hustoty ρ a objemu získáme rovnici ρs 2 ux(z,t) = 2 My. Jednoduchou úpravou získáme t 2 z 2 výslednou rovnici ρs 2 ux(z, t) nosník t 2 + 4ux(z, t) EIy upnutý z 4 = 0. Uvedenou rovnici 4. řádu lze řešit metodou separace jednostranně proměnných. V mnoha případech oboustranně nám však stačí znát jen vlastní frekvence. Předpokládáme tedy oscilaci nosníku s frekvencí ω a rovnici fourierovsky transformujeme do tvaru ρs(iω) 2 Ux(z, ω) + EIy d4 Ux(z,ω) = 0. To můžeme dále upravit do tvaru d z 4 α 4 ω 2 Ux(z, ω) + d4 Ux(z,ω) β = 0, kde α = 1 d z 4 4 ρs 3,516 22,373. Řešení této obyčejné diferenciální rovnice lze hledat ve tvaru Ux(z, ω) = EIy B1 sin(αz ω) + B2 cos(αz ω) + B3 sinh(αz ω) + B4 cosh(αz ω). β 2 22,034 61,678 Konkrétní podmínky na možné rezonanční frekvence získáme aplikací okrajových podmínek. Výše uvedené odvození platí pro nosník jednostranně i oboustranně upnutý. Uvažujeme-li dále β 3 už jen jednostranně 61,701 upnutý nosník, máme 120,903 vždy dvě podmínky na obou koncích: v místě upnutí x = 0 musí být nulová výchylka (Ux(0, ω) = 0) i sklon nosníku ( d Ux(0,ω) d z = 0), na konci nosníku x = L musí být nulová síla ( d2 Ux(L,ω) β = 0) i moment d 2 z ( d3 Ux(L,ω) 4 120, ,860 = 0). Určením první, druhé a třetí derivace a dosazením okrajových podmínek získáme jednak vztah mezi koeficienty Bi, ale také podmínku d 3 z 2+2 cos(αl ω) cosh(αl ω) sin(αl ω) sinh(αl ω) β = αl ω β 5 199, ,526 = 0, která má netriviální řešení pouze pro frekvence, které jsou kořenem rovnice cos(αl ω) cosh(αl ω) = 1. Uvedená rovnice nemá analytické řešení, kořeny lze určit pouze numericky, zpravidla po substituci β = αl ω. Vlastní frekvence určíme zpětně ze vztahu ωi = β 2 i /L 2 EIy/(ρS). Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 114

122 Analýza nosníku Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy posouzení předchozího postupu zahrnuje pouze lineární efekty několik aproximací (křivost, jednorozměrnost atd.) platnost mechaniky kontinua při malých rozměrech platný pro libovolný konstantní průřez obdélníkový I y = wd3 12 kruhový I y = πd4 64 rozdíl mezi jedno- a oboustranně upnutým nosníkem je pouze v β lineární model pohyb konce nosníku lze popsat rovnicí m ef ẍ + k ef x = F(t) efektivní hodnoty m ef = ρsl, k ef = β2 i EIy L 3 lorentzovská frekvenční křivka w = 50 nm Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 115

123 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Zobecnění modelu nosníku Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy některá rozšíření coulombovské tlumení (úměrné výchylce) komplexní modul pružnosti Ê = E ( 1 + i 1 Q c ) viskozní tření (úměrné rychlosti): v lineárním modelu F vis = mω 1 v případě vysokých Q platí Q tot = 1 Q c + 1 Q v nelineární efekt: protažení nosníku při velkých výchylkách se musí nosník prodloužit síla je úměrná výchylce deformace lorentzovské frekvenční křivky bistabilita vliv buzení síla F závisí na poloze upevnění v místě upevnění může být jiný než požadovaný tvar (zaoblení) Q v Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 116

124 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Disipativní procesy Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy atmosférické tlumení se projevuje silou F at = (γ 1 + iγ 2 ) u x první složka ovlivní činitel kvality druhá způsobuje frekvenční posuv v případě nízkých tlaků je zanedbatelná vliv upevnění upevnění není dokonale rigidní dochází k přenosu energie nepřímo závisí na třecí síle v místě styku rozptyl fonon fonon vlnová délka kmitů musí být střední volná dráha fononů interagují oscilační fonony a tepelné fonony rozptyl fonon elektron v polovodiči vyvolá namáhání modulaci pásové struktury periodické přechody elektronů mezi pásy vedou ke ztrátě energie povrchové efekty vliv povrchové vrstvy oxidu (mechanické napětí) Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 117

125 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Disipativní procesy Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy relaxace napětí dochází k přechodu mezi dvěma lokálně stabilními stavy jeden stav je stabilní bez namáhání, druhý pod napětím přechod je spojen se ztrátou energie pohyb bodových defektů bodový defekt vytváří lokální nestejnoměrnou distribuci napětí je-li symetrie defektu menší než mříže, vzniká elastický dipól dipól interaguje s homogením vnějším napětím dojde-li vlivem interakce k překonání aktivační bariéry, defekty se přeskupí pohyb dislokací dislokace jako smyčka upevněná v jednom bodě kmitání smyčky vlivem externího napětí vede ke disipaci pohyb hranic zrn při periodickém napětí hrany zrn po sobě kloužou u krystalických, dobře definovaných součástek problémy nebývají problémy vzniknou vlivem zpracování Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 118

126 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Snímání pohybu nosníku Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy optická detekce vyžaduje vysokou odrazivost pokovení může vést k parazitním jevům rozliší až m nevyžaduje kontakty, jednoduché, lineární problém s narušením optické dráhy (průhlednost, víry, index lomu) piezorezistivní detekce Si s vhodně tvarovanou dopovanou vrstvou nebo ZnO nevhodné pro pomalé změny vyžaduje přívody kapacitní detekce parazitní vliv změny ε výhodná integrace s CMOS tunelování elektronů princip STM Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 119

127 Aktuátory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy vyvozují mechanický pohyb z nemechanického podnětu lineární vs. rotační pohyb různé konstrukce a principy nejjednodušší prvky používají nosník Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 120

128 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Nosník jako aktuátor Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy tepelný princip relativně velké síly, energeticky náročné, pomalé jeden pásek u = L = αl T působení proti zátěži vede k u = αl T FL ES existuje kritická síla F c = ESα T spojené pásky T tak malé, aby nedošlo k ohybu při dokonalé symetrii pohyb v jednom směru více pásku pro větší sílu dvoupáskový dva pevně spojené pásky, delší je zahříván dochází k ohnutí Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 121

129 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Elektrostatický princip Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy podélný nebo příčný pohyb omezení pohybu symetrickým návrhem zpravidla více nosníků hřebeny Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 122

130 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Elektrostatický princip Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy podélný nebo příčný pohyb omezení pohybu symetrickým návrhem zpravidla více nosníků hřebeny fyzikální princip příčného pohybu ( elektrostatická energie W e = ) εsu 2 2z mechanická energie W m = 1 2 k(g 0 z) 2 výsledná síla F = (We+Wm) z = k(g 0 z) + εsu2 2z 2 pro rovnováhu musí platit k(g 0 z) = εsu2 2z 2 podmínka stability (kladná druhá derivace) omezuje pohyb na z 2 3 g 0 potřeba zarážky pro pohyb z roviny složitější není rovnoměrná mezera obdobné odvození pro podélný pohyb Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 122

131 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Další možnosti pohybu nosníku Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy elektromagnetický princip vytváří větší síly při větších vzdálenostech než elektrostatický oboustranně upevněným nosníkem prochází proud externí (silné) magnetické pole vytváří se moment, který nosník natáčí magnetický princip magnet upevněný na nosníku v externím mag. poli místo magnetu feromagnetická vrstva piezoelektrický s tvarovou pamětí slitiny, které po zahřátí při fázovém přechodu obnoví původní tvar TiNi, AuCd bimorfy dva pásky s odlišnými vlastnostmi tepelné, piezo, tvarové ohřev laserem zvláště u bimorfních pásků, vhodné pro kmitání Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 123

132 Krokové posuvy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy scratch inchworm piezoelektrický Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 124

133 Další principy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy membrána zahřátí zvýší tlak plynu hydrogely dosahují velkých objemových změn při různých podnětech změn ph, koncentrace, osvětlení, teploty nevyžadují externí napájení mohou být zároveň senzory prostředí elektroaktivní polymery elektrostrikční materiály reverzibilní změna tvaru s el. polem vibrační motor vibrace motorků způsobují nárazy postupný pohyb táhla dva páry pro obousměrný pohyb Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 125

134 Rotační pohyb Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy kruhové vibrace pomocí elektrostatického pohybu kruhové elektrody změna plochy překryvu desek neumožní plnou otáčku motory všechny mají problémy se třením první motory fungovaly jen pár minut buzení pomocí pólů Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 126

135 Mikrofluidika Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy věda o chování tekutin na mikroúrovni a technika návrhu, simulace a výroby zařízení pro transport, doručení a práci s tekutinami aplikace: tiskové hlavy, analýza krve, biochemická detekce, chemické syntézy, sekvencování DNA malá množství rychle zreagují chemicky odolné materiály kanálky pro dopravu tekutin krystalický Si možnost anizotropního/izotropního leptání sklo pouze izotropní (není krystalické) povrchové mechanické napětí vede k anizotropii polymery pomocí formování hodně kopírují makroskopické systémy Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 127

136 Ventily Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy pneumatické externí řízení vzduchem velmi rychlé, velké síly termopneumatické zahřívání tekutiny v dutině pomalé, ale velmi velká síla elektrostatické jednoduchá struktura, snadná výroba pr. membrána s přechodem typu S může mít velkou vzdálenost elektrod piezoelektrické nejrychlejší, ale malé pohyby obtížná integrace elektromagnetické elektroreologické změna viskozity s elektrickým polem jen vhodné kapaliny Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 128

137 Pasivní ventily Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy funkce některých může být omezena na několik cyklů povrchové napětí dokud rozhraní neprojde přes ventil Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 129

138 Čerpadla Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy většina pracuje na tlakování a nuceném toku membránové čerpadlo se zpětnými ventily deformace membrány zvětšuje čerpací prostor difuzerové čerpadlo geometricky definovaný směr toku mezi dvěma difuzery měnitelný čerpací prostor elektroosmotické čerpadlo dvojvrstva na rozhraní kapalina/kanál vytváří se ionty podélné elektrické pole způsobí jejich pohyb ionty strhávají ostatní tekutiny netradiční profil rychlosti téměr kolmý efektivní jen u velmi tenkých kanálků pasivní čerpadla bez externího napájení osmotické ohebná polopropustná membrána, pomalé povrchové napětí malá a velká kapka na dvou koncích kanálku Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 130

139 Další zařízení Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy mixery makromixery používají turbulentní toky v mikrokanálech jsou toky laminární důležitá je difúze klikaté cesty pro zvýšení velikosti difúze nízké toky µl/min dávkovače periodické naplňování přesného objemu dva ventily první otevřený, druhý zavřený po naplnění se vzduchem rozdělí kapalina měřicí kanál umožní změření objemu kapaliny pomocí měřítka optofluidní zařízení např. laditelná čočka 2 nemísitelné kapaliny, hydrofobní stěny bez napětí sférický tvar napětí přitáhne ionty soli změna menisku Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 131

140 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy Srovnání pasivních a aktivních systémů pasivní prvky jsou řízeny tokem tekutiny nevyžadují externí napájení energie z tekutiny povrchové efekty snáze se realizují, levné nevyžadují řízení spolehlivější, pokud nemají pohyblivé části jsou specifické pro daný systém aktivní prvky vhodnější pro široký rozsah médií méně závisí na variacích výrobního procesu Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 132

141 Senzory průtoku Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy průtokoměry asi 50 skupin termoanemometrické mikrosenzory i 3D měření kalorimetrické přenos tepla Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 133

142 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Digitální mikrofluidika Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy řízený pohyb kapalin Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 134

143 NEMS Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje srovnání NEMS a MEMS principy konvenčních zařízení a MEMS jsou stejné MEMS není třeba studovat na molekulární úrovni MEMS popisuje Newtonova mechanika a Maxwellova teorie NEMS popisuje kvantová fyzika MEMS jsou škálovatelné bottom up NEMS přechod k NEMS opět zvýrazňuje vliv povrchových efektů narušení zpracováním (plazma, mechanické napětí) využití nanotrubiček, fulerenů atd. Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 135

144 Nanonosník Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje výjimka je škálovatelný mohou se uplatňovat jiné mechanizmy ztrát velký poměr plochy povrchu k objemu nanometrové rozměry GHz rezonanční frekvence složitější detekce pohybu vysoká frekvence pohybu s malých rozsahem slabý kapacitní signál utopení v šumu výroba z Si dobře krystalicky definovaný oboustranně upevněné SiC nosníky Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 136

145 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje NEMS a SE tranzistory elektromechanický jednoelektronový nanotranzistor ostrůvek je na ohebném sloupku s polohou se mění pravděpodobnost tunelování na drain a source jiný způsob elektrostatický pohyb Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 137

146 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje NEMS zařízení s nanotrubičkami CNT jako nosník náhrada klasického nosníku velká mech. odolnost, bez oxidové vrstvy bistabilní zařízení vlivem napětí se ohne do rovnováhy je-li napětí velké U pull in, dojde k přískoku od 1 nm tunelovací proud snižuje úbytkem na R napětí stabilizace po poklesu pod U pull out odskočí senzor síly nanotrubička upevněná na dvou elektrodách síla působí přes nosník kolmo k rovině elektrod mechanická deformace změna odporu senzor tlaku NT na membráně změna odporu hradlo pro naladění trubičky Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 138

147 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Pohybová NEMS zařízení s nanotrubičkami lineární pohyb jednotlivých stěn MWNT realizace oscilátorů pohyb skoro bez tření Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 139

148 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Nanopinzeta a nanorotor nanopinzeta dvě CNT na společném hrotu napětí se přiblíží nanorotor MWNT s upevněnou destičkou rotace vnější části vůči upevněné vnitřní Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 140

149 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Další NEMS zařízení which-path electron interferometer Aharonov-Bohmův kroužek s integrovanou QD nad QD kmitá nosník elektrické pole mezi QD a nosníkem přítomnost elektronu ovlivní vibrace dochází k modulaci interferenčních proužků Casimirův oscilátor demonstruje vliv Casimirovy síly možnost získat energii z kvantového vakua? Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 141

150 Cantilaser Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje laser kvantově mechanický oscilátor rezonančně interaguje s kontinuálně buzeným vícehladinovým kvantovým systémem různá aktivní prostředí, ale vždy elektromagnetické kmity cantilaser mechanické oscilace, aktivní prostředí jaderné spiny na nosníku je feromagnetický hrot přibližně dipólové pole pole se superponuje na uniformní pole B 0 dochází ke změně Larmorovy frekvence rotující příčná složka jaderné magnetizace se dipolární interakcí váže na hrot, dochází k buzení kmitů pohybující se magnet vytváří střídavé mag. pole, které ovlivňuje přechody mezi zeemanovsky rozštěpenými hladinami dochází ke kladné zpětné vazbě, nutné pro laserování f 20 MHz, B 0 2 T doi: /physrevlett Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 142

151 Nanofluidika Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje chování kapalin blízko povrchu a při obtékání nanotěles strukturování vody kvazipevná látka síly normálové i tečné vliv drsnosti hodně drsný hydrofilní materiál je hydrofobní vliv povrchových jevů záporný tlak chování kapalin v nanokanálech (NT) velikostní separace Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 143

152 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce Vzpomínka na supramolekulární chemii supramolekulární chemie složky drží pomocí slabých vazeb přesněji: při přidání jednoho elektronu se změní stav jen jedné složky vybraná chemická označení rotaxany obsahují složku ve tvaru činky, na jejíž rovné části je navlečen makrocyklus; konce činky brání uvolnění makrocyklu chybí-li nejméně jeden konec pseudorotaxan calixareny aromatické makrocykly ve tvaru kalichu catenany supramolekulární sloučenina, složená ze dvou a více propletených makrocyklických složek V. Balzani, A. Credi, M. Venturi: Molecular Devices and Machines A Journey into the Nano World, Wiley Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 144

153 Konstrukce strojů Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce bottom-up konstrukce pomocí atomů stroj assembler sestavuje pomocí jednotlivých atomů (Drexler) zachytí atom z okolí a přemístí ho na žádané místo jeho ruce jsou sestaveny z atomů příliš velké ruce jsou lepivé atomy nejsou izolované, nereagující kuličky pomocí molekul výhody molekul molekuly jsou velmi stabilní příroda také staví z molekul většina chemických postupů pracuje s molekulami molekuly samy o sobě mají rozličné tvary a vykonávají jednoduché funkce molekuly lze samouspořádat nebo spojit do větších struktur využití supramolekulární chemie Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 145

154 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Pojem molekulárního stroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce makroskopický stroj kombinace mechanizmů pro využití, modifikaci či přenos energie molekulární stroj? vykonává (užitečný) pohyb na molekulární úrovni na atomární úrovni je otázka pohybu problematická na molekulární úrovni lze pohyb snadno pozorovat molekuly hexa-tert-butyldecacyclene ( 1, 5 nm) na povrchu Cu(100) v monovrstvě pevná poloha, 6 vrcholů osamocená rotuje rychleji než skenování, kroužek lze přemístit hrotem do místa, kde rotovat nebude koncept lze přenést, ale MS pracují s energiemi jen mírně nad tepelnými velké fluktuace pohyb jader je běžná věc, pro MS musí být velká amplituda Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 146

155 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Charakteristiky MS energie Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce nelze využít energii tepelného pohybu (II. věta TD) chemická energie asi nelze realizovat spalovací motor chemická energie uvolňovaná zastudena (biologie) běžná energie v rostlinách: adenosin trifosfát (ATP) 12k B T ve fosfátové vazbě přejde na difosfát (ADP) a anorganický fosfát (P) 1 M, ATP; 2 M ATP; 3 M ADP P; 4 M ADP, P; 5 M, ADP, P reakce je reverzibilní, jednosměrnost díky rychlosti (12k B T/k B T) obecně MS potřebuje dodávat palivo a odebírat odpad světelná energie v rostlinách jen vytváří palivo, neslouží k přímému pohybu může působit i přímo fotoindukovaná izomerizace výhody snadné zapnutí/vypnutí díky laserům možnost práce v malých objemech a krátkých časech fotony mohou zároveň detekovat stav systému Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 147

156 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce Charakteristiky molekulárních strojů typ pohybu lineární a rotační pohyby změny v molekulární struktuře spojení a rozpojení (host hostitel) přemístění složek stažení a roztažení (umělé svaly) způsob řízení a sledování změna stavu musí být detekovatelná změnou vlastností nejčastěji spektroskopicky reset aby mohl pracovat v cycklech, musí se vracet do výchozího stavu reakce s přenosem protonu (zásada kyselina), elektronu (redox) a další časové měřítko přenos elektronů, protonů, fotonů je rychlý (od ps) vzájemný pohyb složek pomalý (až dny) funkce mechanické pohyby, zpracování informace (logická hradla) Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 148

157 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Spontánní mechanické pohyby Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce Cerium bis(5,15-diarylporphyrinate) dvě kola rotující kolem mol. osy 63 ot/s vrtulový pohyb preferuje se korelovaný pohyb dvou motorů otočení jedné arylové skupiny donutí druhou k opačné rotaci ozubená kola pohyb rotorů se prokládá triptycen pevná molekula se třemi pláty spojení dvou triptycenů pomocí metylenové skupiny kuželové ozubené kolo Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 149

158 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Spontánní mechanické pohyby lopatková kola triptycen upevněný na kroužku velký kroužek (6) může se volně otáčet brzdy triptycil spojený s bipyridinem bipyridin může být koplanární nebo ne změna pomocí kovového iontu Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce rohatka se západkou točí se v obou směrech Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 150

159 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Molekulární nástroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce pinzeta v trans stavu je azobenzen protažený světlo způsobí přechod do cis schopnost vázat kovové ionty cis váže K + 42 lépe než trans pro Na + funguje opačně molekulární zámek využívá vazby Pt(II) bipyridin (nevratná za běžných podmínek) pomocí self-assembly se vytváří kroužek z A a B propletení: přítomnost NO 3 a teplota 100 C kroužky se rozpojí vzájemně se propletou po odstranění soli a zchlazení se kroužky spojí Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 151

160 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Molekulární nástroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce přenos iontu redoxní proces trojřetízková struktura dvě vazebná místa Fe(III) preferuje spodní, Fe(II) horní po redukci kys. askorbovou dojde k přechodu přidání peroxydisulfátu vrátí zpátky pomalý proces (minuty až hodiny) Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 152

161 Rotační motor Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce ATP syntáza využívá ATP i elektrochemického potenciálu dva protichůdné motory na společné hřídeli F 1 hydrolyzuje ATP F 0 využívá koncetrace protonů běžně vítězí F 0, otáčí v protisměru F 1 tvoří se ATP z ADP když zvítězí F 1, tvoří F 0 protonové čerpadlo Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 153

162 Hybridní motor Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce využívá ATP syntázu Ni podložka (průměr 50 nm, výška 200 nm) molekuly F 1 -ATP modifikované pro vazbu na Ni Ni tyčinka (průměr 150 nm, délka nm) po přidání ATP bylo vidět otáčení možnost zatočit si motorem Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 154

163 Lineární motor Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce myosin pohybuje se podél aktinového vlákna spotřebovává ATP jeden krok 36 nm celý pohyb pomocí 6 stavů zachycení ATP uvolnění hlavičky a její posun hydrolýza ATP uchycení hlavičky k aktinu uvolnění ADP pomalý proces lineární pohyb rotaxanů dvě identická vazebná místa makrocyklus může přeskakovat sem a tam Aplikované nanotechnologie II MEMS, NEMS a molekulární stroje 155

164 Měření v nanosvětě Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace techniky pro objemovou charakterizaci rentgenová difrakce a fluorescence specifická plocha povrchu spektroskopie Mösbauer UV a VIS magnetická rezonance termogravimetrie techniky pro charakterizaci jednotlivých nanoobjektů elektronová mikroskopie velikost a složení mikroskopie se skenující sondou měření s nanomanipulátory a nanokontakty elipsometrie tloušťka vrstev Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 156

165 Měření v nanosvětě Nanometrologie MEMS nosník jako měřicí systém Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace změna stavu nosníku vlivem externích podnětů statické nedojde k pohybu bez vnějšího podnětu ohnutí vlivem síly δ = FL3 3EI ohnutí vlivem zatížení δ = w 0L 4 w 0 síla na jednotku délky 8EI Stanleyho rovnice δ = 3L2 (1 ν) σ Ed 2 σ změna mechanického napětí dynamické nosník kmitá rezonanční frekvence ω = kef pro volné kmity f i = m ef β2 i 2π k 3 m Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 157

166 Měření v nanosvětě Nanometrologie Určování parametrů nosníku Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace tuhost nosníku důležité pro statické metody metody měření výpočtem: k = 3EI L 3 rozměry pomocí optického/elektronového mikroskopu složitější určení tloušťky přesný tvar hodnota E zatížení kuličkou: podle definice k, destruktivní tepelná metoda: tepelné vibrace nosníku střední kvadratická hodnota výchylky musí odpovídat tepelné rovnováze k z 2 = k B T zatížení známým nosníkem rezonanční frekvence důležité pro dynamické metody proměřením rezonanční křivky činitel kvality Q Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 158

167 Vliv zatížení Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace pro dynamický systém zatížení hodnotou m fi m = β2 i k 2π 3 m + m pokud tvoří vrstvu dojde ke změně I a nosník je tužší fi k = β2 i k 2π 3 m + 3E adsi ads L 3 m obě změny f m,k i = β2 i 2π 3 k m + m + 3E adsi ads L 3 (m + m) Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 159

168 Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace Statické zatížení chemické senzory bez vnějších vlivů ohnutí souvisí s gradientem mech. napětí chemické senzory: jedna strana nosníku je pasivní druhá je aktivní vzhledem k měřené sloučenině tři rozdílné modely Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 160

169 Aplikace Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace senzor vlhkosti umělý nos Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 161

170 Bioaplikace Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace detekce antigen antibody analýza enzymů Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 162

171 Měření v nanosvětě Nanometrologie Citlivost dynamického režimu Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace pro adsorbci na celé ploše nosníku platí f 2 0 f 2 1 f 2 0 m m citlivost S = lim m 0 1 f 0 f Γ = 1 f 0 d f d m veličiny Γ a d m jsou normované k ploše povrchu pro případ nosníku: S = 1 ρ adsd ads f f 0 minimální detekovatelná hmotnost: Γ = 8 teoreticky až atomární rozlišení hmotnosti 2π 5 kk B TB f 5 0 Q Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 163

172 Měření v nanosvětě Nanometrologie Měření lokálních potenciálů Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace volné kmity nosníku podléhají okolnímu prostředí princip rekonstrukce: pravděpodobnost polohy x je p(x) = p 0 e V(x)/k BT inverzí vztahu získáme V(x) = k B T ln p(x) p 0 1 sledujeme okamžité polohy nosníku 2 určujeme pravděpodobnosti p(x) 3 výpočtem určíme potenciál tepelné kmity s parabolickým potenciálem V n (x) = 1 2 kx2 přídavný elektrostatický potenciál větší odolnost buzení bílým šumem Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 164

173 Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace Měření viskozity rezonanční frekvence závisí na okolním prostředí ω = 1 ) ( 9(Kηρ) ω 20 3(Kηρ)2 K konstanta závislá na nosníku ρ hustota prostředí η viskozita u vodných roztoků se mění především viskozita sledování změny tepelných vibrací stejný efekt jako parazitní jev: vliv tlaku a viskozity vzduchu odlišná závislost poblíž povrchu Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 165

174 Měření v nanosvětě Nanometrologie Nanotermogravimetrie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace pracuje s množstvím ng, citlivost pg piezoelektrický nosník, zahřívání i detekce korekce na změnu teploty vzorek CuSO 4 5H 2 O Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 166

175 Měření v nanosvětě Nanometrologie Měření molární susceptibility Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace modifikace Faradayova uspořádání, objem vzorku 100 µm 3 nejprve se známým materiálem určí intenzita a gradient pole poté se určuje poměr χ ref χ s např. χ ref χ s = msm refu s m ref M su ref U signál fotodektoru m hmotnost M molární hmotnost vyžaduje určení hmotnosti dynamicky nebo staticky Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 167

176 IR detektor Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace detekční mechanismus: velká absorpční plocha tenké nosníky (mech. podpora, tepelná izolace, bimetal SiN x + Al) skenování měřeným objektem nebo pole nosníků Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 168

177 Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace Měření Youngova modulu pomocí EM přiložení střídavého napětí rozkmitání nanotrubičky Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 169

178 Nanoteploměr Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace nanosystém složený ze dvou částí vodivost závisí na jejich vzájemné poloze tepelné fluktuace vedou k pohybu úměrnému T vhodným systémem je dvoustěnná uhlíková nanotrubička DWNT nechirální souměřitelné stěny G(T) = G 1 (T) (1 + HT) podmínka správné funkce H T G 1(T) G 1 (T) pohyblivá část musí být krátká lze sestavit i analogii skleněného rtuťového teploměru nanotrubička naplněná Ga využívá teplotní roztažnost délka sloupce se určuje elektronovým mikroskopem nevhodné pro integraci v MEMS/NEMS Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 170

179 Spektroskopie sil Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace mapování závislosti síly na vzdálenosti, F d křivka měří závislost ohnutí nosníku na prodloužení piezokeramiky k čemu slouží kvalitativní i kvantitativní posouzení sil rozlišení adsorbovaných materiálů studium elastických vlastností (povrchů i molekul) studium síly vazeb surface forces apparatus (SFA) první technika pro měření sil mezi povrchy skřížené slídové válce s průměrem 1 cm jeden připevněn k piezoposuvu druhý zavěšen na pružině interferometrické měření vzdálenosti problém s drsností doi: /s (99) Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 171

180 Průběh F d křivky Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace působící síla je F = k c δ c během měření se řídí z, skutečná vzdálenost hrotu od vzorku je d = z (δ c + δ s ) změřenou závislost je nutné přepočítat: vertikální osa musí být silová citlivost detektoru horizontální osa musí odpovídat d určení baseline a bodu kontaktu Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 172

181 Vliv tuhosti nosníku Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace vznikají rozdíly mezi přiblížením a oddálením existence oblasti, kterou nelze proměřit čím větší k, tím přesnější, ale méně citlivé Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 173

182 Typy povrchů Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace nekonečně tvrdý bez povrchových sil nekonečně tvrdý s povrchovými silami deformovatelný bez povrchových sil deformovatelný s povrchovými silami Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 174

183 Měření v nanosvětě Nanometrologie Youngův modul pružnosti Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace pomocí spektroskopie lze určit redukovaný modul pružnosti 1 E platí = 1 ν2 t E t + 1 ν2 s E s π E F 1 = 2 δ s A z měření se získá F δ s, kde δ s je deformace vzorku je třeba modelovat tvar hrotu pro určení plochy A různé aproximace kontaktu: Hertz, JKR, DMT znalost Poissonova čísla (nebo aproximace ν s = 1 2 ) Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 175

184 Měření v nanosvětě Nanometrologie Další využití spektroskopie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace chemical force microscopy síla vazeb, pružnost proteinů, vliv rychlosti force-volume imaging colloid probe microscopy definovaný povrch dynamická amplituda Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 176

185 Nanoindentace Měření v nanosvětě Nanometrologie Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace záměrná plastická deformace povrchu měří se hloubka deformace a její profil k měření tvrdosti potřeba velké tuhosti speciální přístroje kombinace s AFM pro měření parametrů Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 177

186 Měření v nanosvětě Nanometrologie Problematika nanometrologie Úvod do nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie rozšíření délkové metrologie do nanorozměrů zaručení jednotnosti a správnosti měření rozměry pod 100 nm, nejistoty často pod 1 nm většinou mikroskopické techniky komerční přístroje bez návaznosti na jednotku délky problém s definicemi dle norem délková metrologie interference stabilizovaným laserem pro přesná měření optická interferometrie rozlišení pod 1 nm i kapacitní a induktivní senzory bez návaznosti na metr důsledně rozlišovat přesnost (rozlišení) a správnost konstrukce přístrojů kinematický design (Kelvin) Abbeho princip izolace Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 178

187 Měření v nanosvětě Nanometrologie Optická interferometrie Úvod do nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie využití vzdálenosti maxim/minim vlnová délka Michelsonův interferometr polarizace, 1 nebo 2 vlnové délky pro menší rozměry interpolace teoreticky sinusový průběh vliv indexu lomu, polarizace, difrakce nedokonalosti optiky Fabry-Perot: lepší počítání, horší interpolace průměrování přes velkou plochu rozlišení vícesvazkových speciálních interferometrů až 0,01 nm Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 179

188 Měření v nanosvětě Nanometrologie Problémy optické interferometrie Úvod do nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie v technické praxi měrky definice mechanického a optického rozhraní a drsnosti (chyba až 50 nm) nejistota vlnové délky vliv teploty a možnost jejího určení index lomu prostředí, pro vliv menší než 10 nm při 100 mm změna vlhkosti pod 10 % změna teploty pod 0,1 C změna tlaku pod 40 Pa vlnová délka s nejistotou pod nm měření posunutí kosinová chyba vliv nelinearity Heydemannova korekce Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 180

189 Měření v nanosvětě Nanometrologie Rentgenová interferometrie Úvod do nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie tři Si destičky z monokrystalu, rovnoměrně vzdálené vybroušené plochy kolmé k rovinám (220) LLL interferometr (Laueho difrakce, Braggův odraz) minima vzdálená o d 220, nezávisí na λ nelze pozorovat přímo Moiré proužky pohybem poslední lamely Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 181

190 Měření v nanosvětě Nanometrologie Úvod do nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie Combined Optical and X-ray Interferometer (COXI) zařízení pro kalibraci nanoposuvů pro posuvy do 1 µm je nejistota pro 95 %: ±30 pm l = 1 4 λ (N 02 N 01 ) + (n x2 n x1 )d (f x 2 f x1 )d 220 Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 182

191 Vlastnosti COXI Měření v nanosvětě Nanometrologie Úvod do nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie optický interferometr hrubé, ale velmi přesné měřítko navázaný na metr He-Ne laser stabilizovaný I rtg. interferometr dělí každý optický proužek na rovné díly (přes 800) (0, ± 1, ) nm při 22,5 C a 100 kpa Mo K α, přes válcové parabolické zrcadlo zvýšení intenzity filtrace nežádoucích složek prostředí tlumení vibrací, stabilní teplota Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 183

192 Princip kalibrace Měření v nanosvětě Nanometrologie Úvod do nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie zrcátko T spojeno s motorem zrcátko X spojeno s posuvnou lamelou 1 motor v základní poloze T 0 2 výsledek optické interference je v libovolné hodnotě 3 posuvem X se opt. interference vyladí tak, aby byla v minimu 4 motor se přesouvá do polohy T 1 5 počítá se počet optických proužků n 6 pak se posune X tak, aby byl optický proužek opět v minimu, počítají se rtg. proužky N 7 výsledný posun je nλ + Nd 220 pro malé posuvy lze čítat pouze rtg. proužky nad 7 µm proužky mizí vlivem velké deformace materiálu Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 184

193 Metrologické AFM Měření v nanosvětě Nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie Standardy obsahují vazbu na definici metru 3 interferometry možnost velkého skenovacího rozsahu korekce při výpočtu nebo real-time Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 185

194 Kritické rozměry Měření v nanosvětě Nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie Standardy vyhodnocování roztečí, šířky čar apod. speciální tvary hrotů měření vertikálních a podřezaných stěn speciální skenovací algoritmy odhady tvaru hrotu drahé hroty Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 186

195 Standardy rozteče Měření v nanosvětě Nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie Standardy přirozené standardy pro atomární rozměry perioda mříže vyžaduje atomární rozlišení AFM i TEM, nelze pro SEM umělé standardy 1D nebo 2D mřížky v případě AFM platí často kalibrace jen pro dané podmínky nutno zohlednit např. výšku vzorku Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 187

196 Měření v nanosvětě Nanometrologie Analýza laterální kalibrace Rentgenová interferometrie AFM metrologie Standardy případ 1D mřížky optická difrakce, AFM nebo SEM liší se počet proužků, tj. statistika profily deformovány podle metody AFM nesymetrické SEM zvýraznění hran vhodná definice referenčního bodu Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 188

197 Výškové standardy Měření v nanosvětě Nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie Standardy výška nějakého přechodu vždy problém s vlhkostí a znečištěním přirozené standardy 1 vicinální povrchy např. Si(111) 0,314 nm?? 2 leptání slídy 3 vzorky typu DNA problematické 4 nemají normovaný tvar umělé standardy pomocí mikrotechnologie od 8 nm, velké rozteče kalibrační kuličky měření provádět kolmo k přechodu Aplikované nanotechnologie II Nanoměření 189