Aplikované nanotechnologie

Transkript

1 Katedra experimentální fyziky Univerzita Palackého v Olomouci Nanotechnologie Prezentace k přednášce Aplikované nanotechnologie Aplikace základních nanosystémů Nanoelektronika MEMS, NEMS a molekulární stroje Aplikované nanotechnologie

2 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 2

3 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 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 3

4 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 4

5 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 5

6 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 6

7 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 7

8 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 8

9 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Nanofluidy systém nanočástic v kapalině (nutná stabilizace) využití např. chlazení zvýšení tepelné vodivosti, ovlivnění viskozity ferofluidy 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 9

10 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Nanofluidy systém nanočástic v kapalině (nutná stabilizace) využití např. chlazení zvýšení tepelné vodivosti, ovlivnění viskozity ferofluidy 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 9

11 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 10

12 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 11

13 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 12

14 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 13

15 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 14

16 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 15 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Aplikace nanotrubiček

17 Nanočástice Nanodráty a nanotrubičky Nanovlákna shluk vláken ve formě (netkané) textilie, průměry pod 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 16

18 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 17

19 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 18

20 NanoMOS Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 19

21 Nanotrioda Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů CMOS elektronika princip vakuové triody v pevné látce (mikrovakuová elektronika MVE) využívá polní emise z W sloupků Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 20

22 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 21

23 Paralelizace Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 22

24 Rekonfigurace Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Paralelní architektury Softcomputing rekonfigurovatelné počítače složen z opakující se architektury každý element obsahuje lokální instrukční jednotku a paměť 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 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 Nanoelektronika 23

25 Teramac Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 24

26 Softcomputing Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 25

27 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 26

28 Speciální hradla Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 27

29 DNA počítače Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty 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 Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 28

30 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Problém obchodního cestujícího Biologické koncepty 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 Nanoelektronika 29

31 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Realizace DNA počítače Biologické koncepty 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 Nanoelektronika 30

32 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Zhodnocení DNA počítače Biologické koncepty 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 Nanoelektronika 31

33 Bioelektronika Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty inspirace biologickými systémy, wet electronics 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 Nanoelektronika 32

34 DNA biočipy Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Biologické koncepty 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 Nanoelektronika 33

35 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Přehled nanoelektroniky Biologické koncepty 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 Nanoelektronika 34

36 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Požadavky na technologii Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení 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 dobré odstínění vstupů a výstupů funkce obvodu nezávisí na stavu obvodů připojených k jeho výstupu možnost rozvětvení výstupu dobrá průchodnost signálu přes tisíce a více modulů velký zisk odolnost vůči malým odchylkám v prostředí či výrobě Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 35

37 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 36

38 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Elektrody a kontakty Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení technika zlomu STM hrot planární nanomezera pospojované nanočástice Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 37

39 Vlastnosti molekul Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 38

40 Molekulární drát Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 39

41 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 40

42 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 41

43 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Bistabilní molekuly Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení konfigurace molekul závisí na podmínkách může být více stavů zpravidla přepínání světlem aplikace v pamětích Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 42

44 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 43

45 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární hradla 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 na nízkou hodnotu. 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 Nanoelektronika 44

46 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 45

47 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Přenos informace mezi bloky Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení v běžné elektronice pomocí vodičů chemická komunikace 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 Nanoelektronika 46

48 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Rozdělení nanozařízení Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Kvantová nanoelektronická zařízení Pevnolátková Molekulární Kvantové tečky Rezonanční tunelovací Jednoelektronové Hybridní mikro nano Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 47

49 Kvantové prvky Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 48

50 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Split-gate tranzistor 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 Nanoelektronika 49

51 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Rezonanční tunelovací dioda (RTD) heterostruktury s dvojitou tunelovou bariérou vytvoří záporný dif. odpor podobně jako Gunnova 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 Nanoelektronika 50

52 Technologie RTD Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 51

53 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Další aplikace RTD 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 Nanoelektronika 52

54 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 53

55 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 54

56 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 55

57 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 55

58 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 56

59 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 57

60 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 58

61 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Celulární automaty 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 Nanoelektronika 59

62 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 60

63 Omezení současné elektroniky 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 Nanoelektronika 61

64 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Základy SE zařízení Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení 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 Nanoelektronika 62

65 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Logické aplikace SET Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení 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 Nanoelektronika 63

66 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Vícehodnotové aplikace SET Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení paměťový prvek uchovává počet elektronů výstupní napětí je multistabilní jednoelektronový kvantizátor Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 64

67 Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů AD převodník se SET Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika 65

68 Další SE zařízení Omezení současné elektroniky Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení 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 Nanoelektronika 66

69 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 67

70 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 67

71 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 68

72 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 69

73 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 70

74 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Úvod Materiály a technologie MEMS senzory Materiály 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 Si (mono, poly, porézní), SiO 2, Ni 3 Si 4 Ge, SiGe, SiC kovy Al, Au, i magnetické NiFe feroelektrika, polymery Aplikované nanotechnologie MEMS, NEMS a molekulární stroje 71

75 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 72

76 LIGA Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 73

77 MEMS senzory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 74

78 Tlakové senzory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 75

79 Tlakové senzory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 76

80 Tlakové senzory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 76

81 Akcelerometry Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 77

82 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 78

83 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 79

84 Gyroskopy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 způsobí 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 80

85 Optické MEMS Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 81

86 DMD Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 82

87 Optické platformy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 83

88 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 84

89 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 85

90 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 86

91 Mikroinduktory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 87

92 MEMS spínače Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 88

93 MEMS rezonátory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 Aplikované nanotechnologie MEMS, NEMS a molekulární stroje 89

94 Mikronosník Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 90

95 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 91

96 Aktuátory Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 92

97 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 93

98 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Elektrostatický princip Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy podélný nebo příčný pohyb omezení pohybu symetrickým návrhem zpravidla více nosníků hřebeny Aplikované nanotechnologie MEMS, NEMS a molekulární stroje 94

99 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 94

100 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Další možnosti pohybu nosníku Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy elektromagnetický princip vytváří větší síly při větších vzdálenostech než elektrostatický nosníkem prochází proud ve smyčce (příp. oboustranně upevněný) 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 95

101 Krokové posuvy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy scratch inchworm piezoelektrický Aplikované nanotechnologie MEMS, NEMS a molekulární stroje 96

102 Další principy Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 97

103 Rotační pohyb Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 98

104 Mikrofluidika Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 99

105 Ventily Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 100

106 Pasivní ventily Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy funkce některých může být omezena na několik cyklů povrchové napětí dokud rozhraní neprojde přes ventil Aplikované nanotechnologie MEMS, NEMS a molekulární stroje 101

107 Čerpadla Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 102

108 Další zařízení Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 103

109 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 104

110 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy NEMS 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 105

111 Nanonosník Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 106

112 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 107

113 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy NEMS zařízení s nanotrubičkami CNT jako nosník náhrada klasického nosníku velká mechanická odolnost 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 108

114 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Pohybová NEMS zařízení s nanotrubičkami lineární pohyb jednotlivých stěn MWNT realizace oscilátorů pohyb skoro bez tření Aplikované nanotechnologie MEMS, NEMS a molekulární stroje 109

115 Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy 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 MEMS, NEMS a molekulární stroje 110