Aplikované nanotechnologie

Transkript

1 Katedra experimentální fyziky Univerzita Palackého v Olomouci Nanotechnologie Prezentace k přednášce Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur Nanometrologie Nanomanipulace Aplikace základních nanosystémů Nanoelektronika Aplikované nanotechnologie

2 Nanolitografie Metody tvorby nanostruktur fyzikální techniky: většinou top-down metody chemické techniky: většinou bottom-up metody kombinované techniky: využívají jak chemické, tak fyzikální působení metody bud obecné, nebo specifické pro daný vzorek (složení, orientace) Dělení podle úbytku/přírůstku subtraktivní techniky aditivní techniky Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 2

3 Nanolitografie Poznámky k tvorbě nanostruktur tvorba užitečných nanostruktur vyžaduje spojení s mikrookolím propracovanější u top-down technik u nanoobjektů je třeba zohledňovat charakter chemických vazeb např. vzájemná orientace nemůže být libovolná existuje hierarchie síly vazeb např. vliv vdw interakce roste s rozměrem molekuly, kovalentní vazby jsou už využity rozměry struktur jsou často zároveň nejmenšími jednotkami, které lze nezávisle ovládat potřebné je omezení a řízení stupňů volnosti samovolného pohybu stavebních bloků k dosažení žádaného uspořádání Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 3

4 Princip litografie Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem 1 nanesení vrstvy rezistu, vytvrzení 2 ozáření přes masku 3 vyvolání obrazu 4 zahřátí odstranění rozpouštědla 5 zpracování povrchu planární technologie využívaná hromadně, výroba IO Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 4

5 Rezisty Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem pozitivní rezist ozářená část se snáze rozpouští polymer s velkou molární hmotností světlo způsobí rozpad řetězců příklad: PMMA negativní rezist ozářená část má menší rozpustnost M = M gεm 0 ρa citlivost rezistu dávka nutná ke změně kontrast rezistu rozdíl rozpustnosti, γ = 1 log D 0 log D 1 Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 5

6 Nanolitografie Subtraktivní metoda Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem mokré leptání ponoření do rozpouštědla, které neleptá rezist velice jednoduché, ekonomické, rychlé, mnoho materiálů izotropní leptání podleptání struktur, nepřesné laterální rozměry anizotropní leptání pro některé monokrystaly, např. KOH a {111} suché leptání leptání pomocí bombardování povrchu výtěžek S = 3 E d 4, C = 1,81 Nπ 2 nm2 CU IBE (čistě fyzikální), RIE (kombinované s chemickou cestou) pozn.: obětované vrstvy Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 6

7 Aditivní metoda Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem lift-off na vytvarovaný rezist se nanese vrstva materiálu musí být nespojitá rozpustí se rezist, opláchnutí jednoduchá a efektivní metoda vyžaduje strmé přechody a směrovou metodu depozice (i vhodná teplota) tloušt ka vrstvy menší než tloušt ka rezistu elektrolytický růst vespod je vodivá vrstva, rezist vymezí přístupové okno př. Ni: z roztoku NiCl 2 se na katodě redukuje Ni tloušt ka řízena časem, Faradayův zákon m = ItM Fz, F = C jednoduchá metoda, vrstvy vysoké kvality v případě nanostruktur problémy s regenerací elektrolytu Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 7

8 Nanolitografie Depozice z plynné fáze (CVD) Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem metoda vytváření tenkých vrstev plynná sloučenina se vhání do reakční komory, kde se rozkládá na povrchu podložky celá řada technik LPCVD, MOCVD, PACVD typické materiály: SiH 4 pro poly-si, SiH 4 a O 2 pro SiO 2, WF 6 pro W pro mnoho kovů (Cu, Al) se nevyužívá vlastnosti vrstev: jemná zrna, vysoká čistota, nepropustné Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 8

9 Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem Epitaxe pomocí molekulárních svazků (MBE) evaporace materiálů (sublimace) ve vakuu 10 8 Pa (λ > d) jednotlivé cely (Knudsen, Langmuir) mají uzávěrky kontrola pomocí RHEED atomy epitaxně rostou na podložce rychlost µm/h, monovrstva 1 5 s vysoká kvalita vrstev, lze řídit složení podložka může být zahřátá, chlazená rotace pro lepší homogenitu ATG nestabilita vrstev vznik ostrůvků Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 9

10 Kontaktní litografie Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem charakterizace podle použité interakce paralelní a sekvenční parametry: 1 rozlišení 2 rychlost zápisu blízká a kontaktní litografie: 2b min = 3 λ ( s + e ) 2 rozlišení horší vlivem rezistu nejvyšší pro s = 0, ale problém s rovinností a zarovnáním problémy jsou menší pro malé s vyšší rozlišení menší λ, nejsou problémy s optickými prvky Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 10

11 Projekční litografie Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem velká vzdálenost s obchází mechanické problémy používá se optický systém projektující masku na vzorek nelze zpracovat najednou celý povrch scanning posunuje se současně vzorek i maska v jednom směru, promítá se 1:1, využívá se nejlepší oblasti opt. soustavy, maska bez redukce (drahá) step-and-repeat promítá se zmenšený elementární vzorek, vzorek se hýbe ve dvou směrech step-and-scan kombinace obou rozlišení L min = kλ NA, k teoreticky 0,61, NA až 0,9 Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 11

12 Projekční litografie Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem velká vzdálenost s obchází mechanické problémy používá se optický systém projektující masku na vzorek nelze zpracovat najednou celý povrch scanning posunuje se současně vzorek i maska v jednom směru, promítá se 1:1, využívá se nejlepší oblasti opt. soustavy, maska bez redukce (drahá) step-and-repeat promítá se zmenšený elementární vzorek, vzorek se hýbe ve dvou směrech step-and-scan kombinace obou rozlišení L min = kλ NA, k teoreticky 0,61, NA až 0,9 Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 11

13 Snížení dolní meze Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem ozáření pod úhlem posunutí difrakčních píků při ozáření pod velkým úhlem deformace masky vzor na masce zohledňuje deformaci při projekci maska s posuvem fáze maska nemoduluje jen amplitudu, ale i fázi tak, aby sousední oblasti měly fázový posuv povrchové techniky mění se pouze povrch rezistu rtg litografie snížení λ, ale problémy s projekcí (optikou je možná jen blízká litografie), není transparentní materiál extremní UV λ 13 nm, reflektivní optika, soustavy z multivrstev Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 12

14 Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem Litografie elektronovým svazkem (EBL) rezist se ozařuje elektronovým svazkem řízeno počítačem, neexistuje maska, bez difrakčních omezení sekvenční proces, repeat-and-scan režim v podstatě SEM, rezist např. PMMA častá aplikace: masky pro optickou litografii tloušt ky čar cca. 10 nm, lepší rozlišení pro izolované objekty, vliv SE (zlepšení vyšší napětí, tenčí rezist) primární elektrony se mohou odrazit od podložky deformace do větší vzdálenosti možnost interference Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 13

15 Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem Litografie zaostřeným iontovým svazkem (FIB) ionty mají mnohem větší energii než elektrony, také menší rozptyl v rezistu LMI zdroj kapalný zdroj kovových iontů, nevýhoda: disperze energie různé aplikace: litografie, depozice, tvorba defektů iont Ga + : nízká teplota tání, vhodná hmotnost, snadno odlišitelné elektrostatické čočky oprýskávání povrchů gas assisted etching (GAE) vpouští se halogenový plyn zvýší tvorbu volatilních produktů dodá chemickou citlivost lze odleptat oxidy bez poškození vodičů Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 14

16 Konstrukce FIB Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 15

17 Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem Srovnání iontů a elektronů (FIB vs. SEM) Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 16

18 Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem Litografie zaostřeným iontovým svazkem (FIB) urychlení 5 50 kev, desítky na, stopa jednotky nm vznik poškozené vrstvy, lze odstranit nízkoenergetickým Ar svazkem Aplikace: ztenčování vzorků pro TEM lokální depozice kov obsahujících plynů (W(CO) 6 ), ochranné obětované vrstvy implantace, IO přerušení nebo vytvoření vodivé cesty Mikroskopie lepší citlivost k detailům typu krystalové orientace a zrn v kombinace se SEM lze získat 3D data Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 17

19 Aplikace FIB Nanolitografie Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 18

20 Nanolitografie Litografie neutrálními atomy Základní principy Optická litografie Zpracování svazkem svazek neutrálních atomů netřeba velké kinetické energie chybí totiž el. interakce stojatá světelná vlna (laser) idukovaný dipól. moment atomu je přitahován do maxima přitahován do minima v závislosti na znaménku ω laser ω atom modulace hustoty atomů na povrchu lze využívat i jiné atomové optiky Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 19

21 Nanolitografie Terasy na monokrystalech Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury v krystalech existují roviny s hustým obsazením pro FCC mřížku (Au, Pt, Cu) je nejhustší (111) rovina s úhlem θ blízkým nejhustější rovině: rozdíl v orientaci do 15 plocha tvořená atomy má charakter schodů (teras) výška schodů vzdálenost dvou krystalografických rovin hustota a šířka schodů závisí na θ a orientaci n = 1 L = tg θ h lze využít jako podklad pro přípravu nanostruktur žíháním lze strukturu pozměnit, cik-cak struktury Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 20

22 Nanoimprint Nanolitografie Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury dvoustupňový proces: formou se vytvaruje rezist (PMMA, PC) rezist se zpracuje (RIE) poté následuje zpracování (např. lift-off) metoda jednoduchá, velmi přesná hromadná produkce antiadhesivní vrstva vtisk při teplotě nad T g po několik minut, ochlazení pod tlakem přesnost závisí na reologických vlastnostech, η a T g (lepší nízká M) kvalita otisku závisí na tloušt ce rezistu h minimální motiv může být menší než molekula rezistu a) b) c) d) e) Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 21

23 Nanolitografie Three-layer nanoimprint Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury problémy u struktur s velkým AR trojvrstvý proces: do horní vrstvy PMMA se obtiskne forma pomocí RIE se přenese do PMGI vrstvy spodní rezist může být tlustší spodní rezist tepelně stabilní mezi rezisty je oddělující vrstva kovu (Ge) lze dosáhnout řízení velikosti až do 10 nm může probíhat při pokojové teplotě Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 22

24 UV-NIL Nanolitografie Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury využití UV odstraní pomalost vzniklou zahříváním a chlazením nanese se monomer s katalyzátorem vtiskne se forma z křemene použije se UV záření v místech, kde je forma propustná, dojde k polymerizaci forma se oddálí vše probíhá při pokojové teplotě, rychlé dochází k očišt ování formy UV Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 23

25 Nanolitografie Microcontact printing Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury soft litografie polydimeethylsiloxane (PDMS) silikonový olej z OSi(CH 3 ) 2 O ohebný, průhledný, chemicky inertní z PDMS se vytvoří obtisk formy nalití prekurzoru PDMS a katalyzátoru zahřátí pro urychlení reakce (80 C, 1 h) vlastnosti lze volit poměrem složek namočení PDMS razítka do thiolu obtištění na zlatý povrch (vazba S Au) oblasti kontaktu jsou chráněny thiolem zpracování Au vrstvy případné zpracování podložky PDMS Au Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 24

26 Nanolitografie Microcontact printing Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury možnost tvorby na velkých plochách v jednom kroku lze použít i na zakřivené povrchy možnost rotačního tisku rozlišení omezeno difúzí thiolu, asi 50 nm jiné organické molekuly (proteiny) lze tisknout na jiné povrchy (sklo) oproti technikám typu EBL, FIB, CVD či MBE umožňuje vytváření tvarovaných vrstev z (bio)molekul Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 25

27 Nanoembossing Nanolitografie Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury tvorba nanostruktur na povrchu objemového materiálu využívá kuličky z polymerů (např. PMMA): kuličky se nasypou na povrch formy zvrchu se stlačí deskou teplota se zvýší nad T g po určité době se teplota sníží oddálené desky reprodukce je velmi věrná lze tvořit najednou hluboké kanály i mělké rýhy velmi levné, aplikace: difrakční optické elementy modifikace s laserem roztavenou vrstvou Si a) b) c) Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 26

28 Molding Nanolitografie Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury využívá se kapilární síly na rovinnou PDMS podložku, která obsahuje póry, se nalije kapalný polymer kapilární síla vtahuje polymer do pórů polymer ztuhne a výsledná sít kopíruje původní póry rozpustí se PDMS tloušt ky 10 nm lze použít pro lokální depozici molekul (proteiny, katalyzátory) obdobně lze využít např. póry v membránách Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 27

29 Nanolitografie Interface lithography Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury PMMA vytváření trojrozměrných struktur kombinace dvou technik (dva typy rezistu) pomocí EBL se vytvoří zavěšená struktura poté se pomocí rtg litografie vytvoří sloupcová struktura v rezistu PMMA elektrolyticky se nechá vyrůst kovová výplň rtg ozáření může být i šikmé lze vytvořit např. drát zavěšený na PMMA sloupcích Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 28

30 Nanolitografie Samouspořádání (SA) Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury self-assembly využívá nekovalentní interakce dochází k samovolnému uspořádání základních jednotek základní jednotky molekuly, nanočástice, koloidy výsledná struktura je blízká termodynamické rovnováze slabší interakce samovolná korekce, bez defektů uspořádání při přechodu z kapalné nebo plynné fáze lze dosáhnout velké výtěžnosti při relativní jednoduchosti pro využitelnost je třeba rozumný návrh základních jednotek: co bude působit jako lepidlo jak se jednotky poznají známé příklady: SAM, koloidní krystaly Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 29

31 Základní interakce Nanolitografie Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury základní interakce elektrostatické vodíková vazba π-π interakce disperzní síly hydrofobní efekty koordinační vazba k uspořádání dochází působením fyzikálním dochází k minimalizaci energie chemickém dochází ke komplementární vazbě Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 30

32 Nanolitografie Uspořádání částic na podložce působení kapilárních sil bez částic bude povrch kapaliny rovný částice jej deformují laterální síly dva základní přístupy: částice plují v kapalině, působí gravitace částice částečně ponořené, působí smáčení síla pro 2 stejné částice F R σ K 1(L) F R 2 σk 1 (L) L vzdálenost částic σ povrchové napětí K 1 modifikovaná Besselova funkce Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 31

33 Nanolitografie Template assisted SA (TASA) Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury postupné vysychání roztoku s koloidy povrch s vytvořeným vzorkem koloidy se zachycují na vzorku uspořádání závisí na geometrii nerovností ukázka pro válcové otvory Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 32

34 TASA 2D vzorek Nanolitografie Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury tvar shluků závisí na geometrických poměrech F sloupek uprostřed, D pro čtvercovou pyramidu Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 33

35 TASA 1D vzorek Nanolitografie Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury zářezy s profilem ve tvaru V struktura šroubovice Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 34

36 Nanolitografie Self-assembled monolayers Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury často alkenthioly typický tvar molekuly povrchově aktivní hlavička alkylový řetězec koncová část charakter uspořádání hexagonální struktura hlaviček molekuly mají sklon 30 (maximalizace vdw) X(CH 2 ) n SH + Au 0 X(CH 2 ) n S + Au H 2 pro dobrou strukturu n > 11 i jiné typy molekul Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 35

37 Příprava SAM Nanolitografie Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury velmi jednoduchá defekty: nerovnosti podložky podmínky přípravy aplikace SAM vhodné pro nanolitografii aplikace v molekulární elektronice ochrana proti korozi Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 36

38 Nanolitografie SAM na nanočásticích Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury možnost vytvořit SAM i na zakřivených površích navazání na částice umožní vznik organizovaných struktur Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 37

39 Nanolitografie SA na vzorovaných površích Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury nanolitografickou technikou se modifikuje povrch tak, aby některé oblasti byly pro základní bloky chytlavé, okolní oblasti základní bloky je nevážou použije se postup ze SA ve výsledku je SA vrstva lokálně modifikovaná různé metody modifikace povrchu elektrostatická, zakrytí Au vrstvy Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 38

40 Nanolitografie Layer-by-Layer depozice (LBL) Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury využívá elektrostatické interakce větší možnost kontroly nanáší látku na pevný povrch Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 39

41 Nanolitografie Filmy Langmuira-Blodgettové Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury mono či vícevrstvy amfifilních molekul přenesené z rozhraní kapalina plyn na pevnou podložku na povrch kapaliny se nakápne roztok molekul vytvoří se monovrstva (případně se stlačí) skrze vrstvu se protáhne podložka při vytahování podložky se molekuly přichytí vznikají 2 monovrstvy na podložce opakovaným ponořením vznikají vícevrstvy Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 40

42 Nanolitografie Nanosphere lithography Metody využívající formy a masky Metody využívající uspořádané struktury tvorba periodických objektů vytvoření monovrstvy z těsně uspořádaných částic depozice atomů odstranění částic možnost masky ze dvou vrstev modifikace pro biomolekuly nanese se roztok sfér s molekulami sféry vytvoří uspořádání, biomolekuly vrstvu na podložce odstranění kuliček vzniká souvislá vrstva biomolekul, přerušovaná v místech, kontaktu kuliček s podložkou Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 41

43 Nanolitografie Scanning probe nanolithography Atomární a molekulární techniky Silové techniky využívají řadu lokální interakcí hrot vzorek rozlišení jednotky až desítky nm práce v okolním prostředí (bez vakua, extra čistých prostor) nevyužívají masky, řízeno počítačem sériová podstata omezuje rychlost mohou pracovat s rezistem jako fotolitografie nebo EBL: prostorově omezené s menší energií stačí menší tloušt ka rezistu lze kombinovat velké plochy FL, malé SPM Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 42

44 Manipulace s atomy Nanolitografie Atomární a molekulární techniky Silové techniky Elektrické techniky možnost na atomárně hladkých površích, demonstrační STM i AFM, většinou odlišné podmínky (teplota) Xe na Ni Fe na Cu Si(7 7) Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 43

45 Manipulace Sn/Si Nanolitografie Atomární a molekulární techniky Silové techniky Elektrické techniky monoatomární Sn vrtsva na Si s Si defekty vertikální manipulace (zaměňování atomů) doba přípravy 1,5 hod Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 44

46 Chemické reakce Nanolitografie Atomární a molekulární techniky Silové techniky Elektrické techniky pomocí STM lze iniciovat chemické reakce (neelastické tunelování) Ulmanova reakce, běžně K, zde při 20 K Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 45

47 Škrábání povrchu Nanolitografie Atomární a molekulární techniky Silové techniky Elektrické techniky nejjednodušší technika mechanická deformace dotek hrotu s povrchem dolík nebo kopeček tažení hrotu vytvoří čáry různé způsoby: odstranění substrátu, vodní vrstvy, nebo adherované vrstvy, deformace substrátu výsledek závisí na poloměru hrotu, rychlosti tažení, substrátu metody: kontaktní, poklepová typicky rýha obklopená zvýšenou vrstvou lze strukturovat rezist Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 46

48 Nanolitografie Nanoshaving a nanografting Atomární a molekulární techniky Silové techniky Elektrické techniky navazuje na předchozí, kontaktní režim odstraňují se adherované vrstvy samouspořádaných krátkých molekul nanoshaving jen odstranění, rýha difúze molekul zhorší rozlišení nanografting v okolním prostředí další molekuly, dojde k nahrazení podstatný je rozdíl koncentrací možnost prototypování nanoobvodů totéž bez kontaktu, ale s přiloženým napětím vytržení molekul meniscus force nanografting také odstraňování polymerních vrstev Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 47

49 Nanolitografie Atomární a molekulární techniky Silové techniky Elektrické techniky Samoorganizace nanostruktur vynucená SPM hrot skenuje (síla > 2 nn) po vrstvě z rotaxanů (bistabilní molekuly) skenování dodává energii na změnu struktury, hrot struktury nezapisuje po několika skenech se vytvoří uspořádaná struktura kuliček velikost a rozestup dán charakteristickým délkovým měřítkem transformace čím tenčí film, tím menší a hustější jsou kuličky Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 48

50 Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky Lokální anodická oxidace (LAO) hrot lokálně oxiduje povrch vzorku hrot záporný, vzniká el. pole elektrolýza vodního menisku dodává OH elektrické pole urychluje pohyb iontů vlivem nižší hustoty oxidy vystupují kontaktní i poklepový režim výška a tloušt ka závisí na napětí, rychlosti, okolní vlhkosti oxidový vzor lze i odleptat Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 49

51 Nanosvařování Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky využívá lokální oxidaci uchycení nanotrubičky k podložce klouzavé spojení oxid obrůstá okolo trubičky využití k složitým manipulacím Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 50

52 Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky Constructive nanolithography (CNL) vodivý hrot zapisuje nedestruktivně chemickou informaci na monovrstvu kontaktní režim, vodivá podložka, vlhkost hrot oxiduje nebo redukuje a vytváří skrytý obraz obraz se vyvolá chemickou interakcí s molekulami, které reagují se změněnými koncovými skupinami R R R R R R R O O R R R O O R Si O Si O Si O Si O Si O O O O Si O O Si O Si O Si O Si O Si O obdobně catalytic probe nanolithography bez napětí hrot obsahuje vrstvu katalyzátoru O O O Si O O Si O Si O Si O Si O Si O O O O O O Si Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 51

53 Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky AFM buzená elektrohydrodynamická litografie elektrické pole nad roztaveným polymerem vyvolá nestabilitu proti ní působí povrchové napětí polymer se ohřívá Jouleovým teplem Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 52

54 Nábojový záznam Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky přiložené napětí, nedochází k topografickým změnám injekce kladného nebo záporného náboje do dielektrika (elektretu) může časem vymizet provedení: obdoba LAO s opačnou polaritou Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 53

55 Dip-pen Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky nanometrové pero hrot namočen do roztoku vhodných molekul meniskus mezi hrotem a vzorkem molekuly uvolňuje a přenáší uchycení molekul na podložce těžší pro velké molekuly elektrochemická dip-pen: nanoelektrochemický reaktor, redukce kovu na substrátu Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 54

56 Dip-pen Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky celá řada anorganických materiálů, i složité magnetické sloučeniny většinou špatně krystalické epitaxní růst CdS nanoplacek inkoust 1 mm Cd(Ac) 2 a 1 mm thioacetamid růst trojúhelníků shodná výška, dvě orientace nezávislé na skenování podobnost mřížky slídy a CdS možnost epitaxe struktury odolné proti vodě (prekurzory nejsou) nárůst výšky po 0,07 0,10 nm (buňka 0,6 nm) DPN výhodná pro studium začátku krystalizace na povrchu Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 55

57 Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky Enzyme-Assisted Nanolithography na hrotu je imobilizován enzym na podložce pod hrotem v kontaktu depozice produktu rozkladu enzym alkalická fosfatáza, substrát BCIP and kofactor NBT tečky nad jednim místem 20 s, pak rychlý přesun čáry pomalý přesun 10 nm/s průměr asi 150 nm, teoreticky i menší (kratší čas), výšky 10 nm Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 56

58 Tepelný záznam Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky podklad z termoplastického polymeru nosník obsahuje vodiče, které zahřívají hrot kontaktní režim zapnutí proudu zvýší teplotu nad T g, působící síla mechanicky deformuje po zchladnutí zůstane prohlubeň záznamové média: čtení s menším proudem, v dolíku větší odvod tepla mazání zahřátí celého disku Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 57

59 Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky AFM termická litografie polymerů u běžných termických litografií nedochází k chemické změně polymeru Poly(tert-butyl akrylát) se nad 150 C rozkládá při zpracování velké plochy okraje tvoří termolyzované produkty, odtlačené laterální silou Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 58

60 Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky Feroelektrická a magnetická litografie mění orientaci příslušných domén magnetická pomocí MFM s mag. hrotem feroelektrická pomocí napětí (lze realizovat i bez SPM, vodivá forma) zubaté okraje Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 59

61 Nanolitografie Trojrozměrná litografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky zahřátý hrot lokálně desorbuje materiál Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 60

62 Nanolitografie Silové techniky Elektrické techniky Další techniky SPM techniky pro záznamové aplikace vysoká hustota záznamu: buňka 10 nm: hustota bitů/cm 2, současné technologie 10 9 bitů/cm 2 problém s rychlostí paralelní tím vzniká problém s detekcí piezo mag. záznam omezen velikostí domén pro spotřební elektroniku nutnost mechanické odolnosti Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 61

63 Nanolitografie DNA nanokonstrukce DNA jako šablona pro kovové kationy, nanočástice DNA jako strukturní jednotka: dobře předpovídatelná vazba známý struktura a velikost (průměr 2 nm, délka 3,5 nm) strukturální stabilita a flexibilita dvojšroubovice lze spojovat pomocí ssdna široký repertoár laboratorních technik pomocí lepivých konců lze spojovat DNA do mřížky obecně nekonečné, ale lze i adresovatelně na mřížku se mohou vázat např. proteiny Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 62

64 DNA origami Nanolitografie vyžití DNA jako stavebních bloků, SA Aplikované nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 63

65 Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy Problematika nanometrologie Interferometrie 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 izolace Aplikované nanotechnologie Nanometrologie 64

66 Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy Optická interferometrie Interferometrie 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 průměrování přes velkou plochu rozlišení vícesvazkových speciálních interferometrů až 0,01 nm Aplikované nanotechnologie Nanometrologie 65

67 Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy Interferometrie Problémy optické interferometrie 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 Aplikované nanotechnologie Nanometrologie 66

68 Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy Rentgenová interferometrie Interferometrie 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 Nanometrologie 67

69 Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy Interferometrie 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 Nanometrologie 68

70 Vlastnosti COXI Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy Interferometrie 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 Nanometrologie 69

71 Princip kalibrace Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy Interferometrie 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 nulový, 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 Nanometrologie 70

72 Metrologické AFM Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy obsahují vazbu na definici metru 3 interferometry možnost velkého skenovacího rozsahu korekce při výpočtu nebo real-time Aplikované nanotechnologie Nanometrologie 71

73 Standardy rozteče Úvod do nanometrologie 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 Nanometrologie 72

74 Výškové standardy Úvod do nanometrologie 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 Nanometrologie 73

75 Další standardy Úvod do nanometrologie AFM metrologie Standardy rovinnost krystaly rostlé Czochralského metodou vznikají atomárně hladné stěny (< 1 nm) drsnost mezera mezi rovinným sklem ( 2 nm) a technickými standardy uměle zvrásněné plochy (nanogrinding) zvrásněné v jednom směru, hladké v druhém tloušt ka vrstev tenká vrstva na čisté podložce rozdílné pro různé techniky rtg křemen, Ni vrstva mezi ochrannými uhlíkovými vrstvami elipsometrie SiO 2 určování pomocí TEM, litografické tvarování pro AFM Aplikované nanotechnologie Nanometrologie 74

76 Manipulace s nanoobjekty Manipulace pomocí SPM Využití mikroskopických technik Optická pinzeta Nanomanipulátory a nástroje především nanočástice, nanodráty využití mechanické interakce tažení, tlačení potřeba vypnutí zpětné vazby k pohybu dojde, je-li průmět síly větší než třecí síla Aplikované nanotechnologie Nanomanipulace 75

77 Manipulace s nanoobjekty Manipulace pomocí EM Využití mikroskopických technik Optická pinzeta Nanomanipulátory a nástroje výjimečně, většinou kombinace nanonástroj a SEM Sn nanodrát v nanotrubičce Aplikované nanotechnologie Nanomanipulace 76

78 Manipulace s nanoobjekty Manipulace pomocí FIB Využití mikroskopických technik Optická pinzeta Nanomanipulátory a nástroje ohyb nosníků pomocí tepelného působení Aplikované nanotechnologie Nanomanipulace 77

79 Optická pinzeta Manipulace s nanoobjekty Využití mikroskopických technik Optická pinzeta Nanomanipulátory a nástroje tvarovaný svazek zachytí mikroobjekty, může i manipulovat princip přenos momentu dielektrické objekty F 1 2 α E2 lze využít i k mikroskopii Aplikované nanotechnologie Nanomanipulace 78

80 Manipulace s nanoobjekty Optická pinzeta konstrukce Využití mikroskopických technik Optická pinzeta Nanomanipulátory a nástroje stavěny z modifikovaných optických mikroskopů Aplikované nanotechnologie Nanomanipulace 79

81 Nanomanipulátory Manipulace s nanoobjekty Využití mikroskopických technik Optická pinzeta Nanomanipulátory a nástroje systém s širokým rozsahem pohybu a ostrým hrotem možnost kombinace více hrotů přesnost polohování 1 nm využití: manipulace s částicemi, měření součástek Aplikované nanotechnologie Nanomanipulace 80

82 Mikronástroje Manipulace s nanoobjekty Využití mikroskopických technik Optická pinzeta Nanomanipulátory a nástroje využití analogií z makrosvěta kleště problémy se silami (adheze) nůž řezání NT pomocí napětí přesnost polohy 50 nm Aplikované nanotechnologie Nanomanipulace 81

83 Operace buněk Manipulace s nanoobjekty Využití mikroskopických technik Optická pinzeta Nanomanipulátory a nástroje upravený AFM hrot možnost vpíchnutí, injekce apod. Aplikované nanotechnologie Nanomanipulace 82

84 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Aplikace základních nanostruktur rozšíření aplikací z mikrosvěta: nanočástice pro leštění ochranné povlaky z nanofilmů mnohdy jen marketingové triky nebo bez doložené účinnosti neřeší se dopady aplikací consumer/browse/ vybrané aplikace nanočástic: SiO 2 brání srážení vody na skle Ce nanočástice jako aditiva do benzínu Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 83

85 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Katalýza katalýza změna rychlosti chemické reakce způsobená katalyzátorem katalyzátor neúčastní se chemické reakce, ale ovlivňuje ji heterogenní katalýza katalyzátor je v jiném skupenství než reagující látky často pevná látka, záleží na ploše povrchu specifická plocha povrchu m 2 /g u nanočástic extrémně vysoká (až 1000 m 2 /g) závisí i na jiných parametrech, např. krystalové struktuře nanočástice mohou být zárodky pro další struktury detoxikace území, čištění vod (Fe 2 O 3 ) fotokatalýza TiO 2 Au objemové inertní, nanočástice pod 5 nm katalyzují CO Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 84

86 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Využití optických vlastností optické vlastnosti se mění s velikostí částic (posuv absorpčních křivek) ochranné UV filtry z nanočástic TiO 2 barvení skla nejstarší aplikace nanotechnologií rtěnky (Fe 2 O 3 ) 1D řetízky částic lze použít jako vlnovody kovové částice zvyšují intenzitu Ramanova záření (obecně el. pole) solární články např. amorfní Fe 2 O 3 Au nanočástice pro plazmonovou rezonanci (optické zobrazování, TERS) Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 85

87 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Senzory senzory plynů tělísko pokryté vrstvou s nanočásticemi reaguje na množství par daných látek většinou není citlivý jen na jednu látku dojde ke změně odporu aplikace Fe 2 O 3 pro detekci etanolu Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 86

88 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Využití magnetických vlastností magnetické separace látek magnetická částice se pokryje vhodnou vrstvou dojde k chemické vazbě mezi vrstvou a odstraňovanou látkou magnetem se odstraní částice i s látkou např. systémy pro čištění krve magnetická záznamová média vhodný tvar a velikost plynové senzory využití k chlazení magnetokalorický jev (až mk) detekce přítomnosti molekul Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 87

89 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Lékařství a bioaplikace MRI hypertermie doručování a uvolňování léčiv zachycování virů antibakteriální účinky stříbra i makroskopické příprava čisté vody textil antibakteriální obvazy obvazy na zapáchající rány oblečení (ponožky) Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 88

90 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Fluorescenční značky větší fluorescenční kvantový zisk nedochází k vyblednutí větší posuv frekvence užší emisní spektrum vícebarevné zobrazování jsou o řád větší větší deformace drahší než organická barviva Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 89

91 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Nanofluidy systém nanočástic v kapalině (nutná stabilizace) využití např. chlazení zvýšení tepelné vodivosti, ovlivnění viskozity ferrofluidy koloidní systém z magnetických nanočástic 10 nm surfaktanty zabraňují aglomeraci bez vnějšího magnetického pole nulový moment vnější DC mag. pole částice orientuje (podobnost s kapalnými krystaly) vytváří se řetízky částic paralelně s polem čím větší pole, tím více částic v řetízcích pro pole kolmé k filmu vytvářejí konce řetízků hexagonální uspořádání vzdálenost řetízků d závisí na velikosti pole může dojít až k zamrznutí pevná látka mag. ježek nad prahovou intenzitou, minimalizuje mag. energii Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 90

92 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Nanofluidy systém nanočástic v kapalině (nutná stabilizace) využití např. chlazení zvýšení tepelné vodivosti, ovlivnění viskozity ferrofluidy koloidní systém z magnetických nanočástic 10 nm surfaktanty zabraňují aglomeraci bez vnějšího magnetického pole nulový moment vnější DC mag. pole částice orientuje (podobnost s kapalnými krystaly) vytváří se řetízky částic paralelně s polem čím větší pole, tím více částic v řetízcích pro pole kolmé k filmu vytvářejí konce řetízků hexagonální uspořádání vzdálenost řetízků d závisí na velikosti pole může dojít až k zamrznutí pevná látka mag. ježek nad prahovou intenzitou, minimalizuje mag. energii Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 90

93 Aplikace ferofluidů Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky ferofluidy vykazují optickou aktivitu pohybové prvky posun s mag. polem uzavírání magnetických obvodů (složité tvary) absorbéry mechanických šoků těsnění proti nečistotám uvěznění mag. polem reproduktory centrování cívky, chlazení, tlumení magnetickým polem laditelné difrakční mřížky změna d materiály absorbující radarové záření tepelné chlazení při vyšších teplotách méně magnetické, vzniká tok částic vizualizace magnetických domén přesné obrábění Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 91

94 Koloidní krystaly Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky monodisperzní koloidy mají tendenci vytvářet 3D uspořádané struktury tvorba krystalu sedimentací na podložce, vlivem externího pole apod. po vysušení jsou křehké, ve vodě se rozpustí lze je považovat za nanoporézní materiály (matrice) fotonické krystaly roviny difraktují světlo: barvy (opál), filtry v RS, opt. senzory složitější (foto)katalýza barevný inkoust 620 nm Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 92

95 Aplikace fulerenů Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky doprava léčiv uvnitř fulerenů nelineární optická absorpce ochranné filtry lubrikanty (C 60 F n ) ale drahé a nestabilní ochrana kovových iontů před agresivním bioprostředím při vyšetřeních FIB s využitím ionizovaných C + 60, v porovnání s Ga+ : je účinnější při nižší energii vytváří menší zvrásnění povrchu působí jako antioxidanty (kosmetika) Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 93

96 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Aplikace nanodrátů vodiče neplatí G = σs/l balistický režim pro L svd < l jednoduchý model kvantového vodiče: nanodrát spojuje dva rezervoáry s T 1, µ 1 a T 2, µ 2, zde µ 1 µ 2 = eu udržuje se koherentní fáze pro dokonalý balistický režim s jedním obsazeným stavem I = 2e h [f 1 (E) f 2 (E)] d E pro T = 0 K je vodivost G = G 0 = 2e 2 /h = 0,77 ms Au Ni nanodrát jako termočlánek s rychlou odezvou Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 94

97 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Aplikace nanotrubiček vodiče z kovových nanotrubiček spojení dvou NT s rozdílnou chiralitou vytváří diodu FET tranzistory s nanotrubičkou hroty pro SPM ochrana proti elektrickým výbojům (polymerní matrice) brání hromadění náboje na izolačních polymerech elektromagnetické stínění tepelné chlazení na čipech mechanické zpevnění (náhrada uhlíkových vláken) problém s přenosem namáhání netečné tlumení vibrací Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 95

98 FE zdroj elektronů jsou chemicky odolné proti znečištění pevná vazba brání odprášení lze dosáhnout vysokých proudů (odolají až 10 9 A/cm 2 ) emise je stabilní, dlouhá životnost aplikace monitory, žárovky superkondenzátory vzdálenost desek je 1 nm velká plocha povrchu NT až 200 F/g pohybové prvky ovládací napětí 1 V (např. PZT 100 V) senzory velká plocha povrchu, ovlivnění transportu elektronů baterie Li + ionty se vkládají do grafitových vrstev, B-dopované NT jako nejefektivnější uchování vodíku/plynů uvnitř trubiček syntéza nanodrátů realizace černého Aplikované tělesa nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 96 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Aplikace nanotrubiček

99 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Nanovlákna shluk vláken ve formě (netkané) textilie, průměry pod 1000 nm příprava Nanospider elektrostatické zvlákňování aplikace velká plocha povrchu funkcionalizace (fotovoltaika) tlumení hluku obvazy nepropustné pro bakterie (obecně filtry) inteligentní oblečení Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů 97

100 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy CMOS elektronika Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 98

101 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy CMOS elektronika Škálování CMOS tranzistoru 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 tloušt ky oxidové vrstvy e redukce rozměrů problémy s propojením Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 99

102 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy CMOS elektronika NanoMOS 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 Nanoelektronika 100

103 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy CMOS elektronika Nanotrioda princip vakuové triody v pevné látce (mikrovakuová elektronika MVE) využívá polní emise z W sloupků Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 101

104 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Paralelní architektury Softcomputing Adaptace pro nanosystémy 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 Nanoelektronika 102

105 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Paralelní architektury Softcomputing Paralelizace 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 Nanoelektronika 103

106 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Paralelní architektury Softcomputing Rekonfigurace rekonfigurovatelné počítače sestává z opakující se architektury každý element obsahuje lokální instrukční jednotku a pamět dat logická funkce jednotky lze programovat přes rekonfigurovatelné logické bloky možnost rekonfigurace převádí hardware na software např. adresovatelné spínače look-up tabulky místo výpočtů lze výsledek vyhledat kombinace vstupních hodnot slouží jako adresa aritmetická jednotka je nahrazena pamětí + když máme pamět, 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 Nanoelektronika 104

107 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Paralelní architektury Softcomputing 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 Nanoelektronika 105

108 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Paralelní architektury Softcomputing Rozložené a odolné úložiště asociativní pamět nevyužívá adresu asociativní matice váha bud 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 Nanoelektronika 106

109 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Paralelní architektury Softcomputing Speciální hradla 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 Nanoelektronika 107

110 Vybraná literatura Dostupné elektronicky: Ostatní: Springer Handbook of Nanotechnology Introduction to Nanoscale Science and Technology Dupas, C.; Houdy, P.; Lahmani, M.: Nanoscience, Springer Köhler, M.; Fritzsche, W.: Nanotechnology. An Introduction to Nanostructuring Techniques, Wiley Goser, K.; Glösekötter, P.; Dienstuhl, J.: Nanoelectronics and Nanosystems, Springer 2004 Schmid, G.: Nanoparticles. From Theory to Application, Wiley Shatkin, J. A.: Nanotechnology. Health and Environmental Risks, CRC Press Aplikované nanotechnologie 108