Mesterszintű nanotechnológia szakirányú továbbképzési szak Koncepció Budapest 2012. május A koncepció a TÁMOP 4-2-1/B-09-11 KMR pályázati támogatásával készült. Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
BEVEZETÉS A nanotechnológiai megoldások alkalmazása ugrásszerű fejlődést jelentett az elektronikában, optikában, számítástechnikában, és rohamosan terjed az orvostudományban, környezetvédelemben, energetikában. Előretörése természetes a nagy szellemi hozzáadott értéket tartalmazó termékek előállításában, ugyanakkor előnyei még egyszerű tömegtermékeknél is áttörést jelenthetnek. Ezeknek az új megoldásoknak magas szintű alkalmazásához és továbbfejlesztéséhez több tudományterületről származó ismeretek integrálására van szükség. Ezt a speciális tudást az egy-egy részterületen felsőfokú végzettséggel rendelkező szakemberek a nanotechnológiai szakirányú továbbképzés keretében szerezhetik meg. A jelen koncepció a mesterszintű nanotechnológia szakirányú továbbképzés indításához szükséges elvi alapokat tartalmazza. A MESTERSZINTŰ NANOTECHNOLÓGIA SZAKIRÁNYÚ TOVÁBBKÉPZÉSI SZAK TANTERVE Szakképzettség: A műszaki képzési területhez tartozó képzésben résztvevők mesterszintű nanotechnológus szakképzettséget szereznek. Képzési idő, megszerzendő kreditek: 4 félév, 120 kredit A felvétel feltétele: műszaki vagy természettudományi vagy orvos- és egészségtudományi vagy agrár képzési területen szerzett egyetemi vagy MSc diploma. A képzés során elsajátítandó kompetenciák, tudáselemek, megszerezhető ismeretek, személyes adottságok, készségek, a szakképzettség alkalmazása konkrét környezetben, tevékenység-rendszerben: Elsajátítandó kompetenciák 1. A nanotechnológiákat megalapozó fizikai és kémiai tudományok alkalmazási szintű ismerete. 2. A nanoszerkezetű anyagok potenciális alkalmazási lehetőségének felismerése. 3. Különféle kolloid rendszerek és nanoszerkezetű mérnöki anyagok adott műszaki alkalmazáshoz optimált, környezettudatos alkalmazása és fejlesztése. 4. Gyakorlati készség nanoszerkezetek előállítására, vizsgálatára, továbbá számítógépes modellező és tervező programok kezelésére, a velük való fejlesztési feladatok elvégzésére, új optimális szerkezetek kialakítására. 5. Képesség a korábban nem ismert új folyamatok, termékek, rendszerek megismerésére, megértésére, továbbfejlesztésére. 6. Képesség önálló feladatok ellátására a nanotechnológiai rendszerek fejlesztésében, tervezésében, új eljárások, termékek kidolgozásában, a nanotechnológiákat megalapozó tudományos kutatásban. 7. A nanotechnológiai kutatások eredményeinek bevezetése a gyakorlatba, szolgáltatások, kereskedelmi feladatok kidolgozása, ellátása. 2
Tudáselemek, megszerezhető ismeretek A képzés a nanotudomány fizikai és kémiai alapismereteit, a nanoméretű rendszerek speciális tulajdonságait, továbbá előállítási, gyártási, mérési és vizsgálati módszereit, a nanotechnológia legfontosabb műszaki alkalmazásait és környezeti vonatkozásait foglalja magába. A hallgatók megismerhetik a nanoszerkezetű anyagok elektromágneses és optikai jellemzőit, a felület- és egyéb vizsgálati módszereket, a nano-anyagok szerkezete és tulajdonságai közötti összefüggést, továbbá a nanoanyagok, ill. nanoszerkezetek alkalmazásait nanoszenzorok, az elektronika, a mérnöki anyagok, kompozitok, a biotechnológia, az orvosbiológia, a gyógyszeripar terén. A tananyag tartalmazza a CAD és FEM programok általános működésének és alkalmazásának, valamint a velük való fejlesztési feladatok módszereinek ismeretét. A nanoméretű anyagok kockázati tényezői és a nanotechnológiák környezetvédelmi alkalmazásai is tárgyalásra kerülnek. Személyes adottságok, készségek Erős anyagtudományi alapismeretek, általános műszerismeret, nyitottság a legújabb tudományos eredmények befogadására, fogékonyság az interdiszciplináris gondolkodásra, együttműködő készség az egyes tudományterületek (fizika, kémia, biológia) képviselőivel, kreativitás a többféle tudományterület ismereteinek komplex alkalmazása terén, rendszerszemléletű, kezdeményező, problémafelismerő és -megoldó, gyakorlatorientált látásmód. A szakképzettség alkalmazása konkrét környezetben, tevékenység-rendszerben: Nanoszerkezetű anyagok előállítása, fejlesztése és minősítése, a nanotechnológiai kutatások eredményeinek bevezetése a gyakorlatba, szolgáltatások, kereskedelmi feladatok kidolgozása, ellátása. 3
A szakképzettség szempontjából meghatározó ismeretkörök és a javasolt tantárgyak: Csomag Tárgy neve Tárgyfelelős Kiméret Megjegyzés Alkalmazott matematika Horváth Miklós 28+0+0 Modern fizika Mihály György 28+0+0 Alapozó tárgyak Szakmai törzsanyag Speciális szakismeretek 1 Modern kémia Szieberth Dénes 28+0+0 Számítástechnika Varga Gábor 0+0+28 Nanokémia Hórvölgyi Zoltán 28+0+28 Pásztázó mikroszkópiás módszerek Molnár László Milán 28+0+28 Nanoszerkezetek elektromágneses és Koppa Pál optikai tulajdonságai Szabó Zsolt 28+0+0 Nanoérzékelők Mizsei János 28+0+0 Kísérleti nanofizika Halbritter András 28+0+0 Nanoszerkezetű mérnöki anyagok és Vas László Mihály nanokompozitok Dévényi László 28+0+0 Nanoanyagok környezeti viselkedése László Krisztina 28+0+0 Nanoelektronika Csonka Szabolcs 28+0+0 Bionanotechnológia Szarka András 28+0+0 Felületanalitikai módszerek Dobos Gábor 28+0+28 Nanoelektronikai technológiák Mizsei János 28+0+0 Nanoszerkezetű mérnöki anyagok és Mészáros László nanokompozitok laborgyakorlatok Bognár Eszter 0+0+28 Nanotechnol laboratóriumi gyakorlatok 2 (vagylagos) Gyógyszerkészítmények nanotechnológiái Orvosbiológiai alkalmazások Végeselemes modellezés mikroelektronikai, mechatronikai alkalmazásai Marosi György Dobránszky János Szebényi Gábor Molnár Kinga Lipovszky György 0+0+30 összesen 84 óra, ebből 56 kötelező 1 összesen 280 óra összesen 198 óra, ebből 114 kötelező 2 Záródolgozat 30 30 Összesen 392+170 +30 1 Előképzettségtől függően választandó 2 Érdeklődés alapján választandó Kötelező 480 4
A tervezett témakörök rövid összefoglalása ALAPOZÓ TÁRGYAK Alkalmazott matematika 2+0+0 óra Tárgyfelelős: Horváth Miklós Általános célkitűzés: A szakirányú ismeretek elsajátításához szükséges matematikai alapok bemutatása. A klasszikus és modern matematikai eszköztár bevezető szintű áttekintése a nanofizika matematikai vonatkozásainak megértéséhez.. Bevezető blokk: Lineáris algebra, vektoranalízis. Valószínűség és feltételes valószínűség. Sűrűségfüggvény, peremeloszlás, egy- és többdimenziós valószínűségi változók. Nevezetes diszkrét és folytonos eloszlások és alkalmazásaik. Konvolúció. Fourier analízis: Fourier sor, Fourier transzformált, alkalmazás differenciálegyenletekre. Gyors Fourier transzformáció. Schrödinger operátorhoz tartozó általános Fourier transzformáció. Négyzetesen integrálható függvények terei, Szoboljev-terek. Összetett kvantummechanikai rendszerek leírásának matematikai alapjai: Mátrixok tenzorszorzata. Hilbert tér nemkorlátos önadjungált operátorai. Hely- és impulzusoperátor. Schrödinger operátor önadjungáltsága. Differenciálegyenletek: Másodrendű parciális differenciálegyenletek, kezdeti és peremfeltételek. A megoldás létezése, egyértelműsége, stabilitása. Példák. Alapmegoldás, Green-függvény. 5
Modern fizika 2+0+0 óra Tárgyfelelős neve: Mihály György Általános célkitűzés: A kvantumfizikai szemléletmód kialakítása, a modern fizika eszköztárának alkalmazása fémek, félvezetők, mágneses és szupravezető anyagok tulajdonságainak leírásában. Az elektronikai, optikai és anyagtudományi alkalmazások naprakész bemutatása. A kvantummechanika szemléletmódja: a hullámfüggvény fogalma és kapcsolata a mérhető tulajdonságokkal, a fizikai mennyiségek leírása operátorokkal, a mérés kvantummechanikai értelmezése. A határozatlansági relációk és következményeik. A Schrödinger-egyenlet megoldása egyszerűbb problémákra (kötött állapot, alagút-effektus). Az elektron-spin, az atomok energianívói, az atomi mágnesség eredete. Sok-elektron rendszerek, Fermi-Dirac statisztika. Elektronok sávszerkezete kristályos anyagban, Bloch függvények, effektív tömeg. Félvezető töltéshordozók, band-engineering félvezető heteroátmenetek sáv-illesztésével. Ballisztikus, mezoszkópikus és makroszkópikus elektron-transzport. Félvezető eszközök, nanoelektronika, optikai alakalmazások. Mágneses anyagok, a mágneses csatolás eredete. Lokalizált momentumok ferromágneses rendeződése, a ferromágnesség átlag-tér elmélete. A mágneses anyagok sáv modellje, spinpolarizált töltéshordozók. Spintronikai alkalmazások: spin szelep, MRAM, SST-MRAM. A szupravezetés fenomenológiája: zérus ellenállás, Meissner-effektus. Kvantum-jelenség szupravezetőkben és méréstechnikai alkalmazásaik. Szupravezető anyagok és alkalmazások. 6
Modern kémia 2+0+0 óra Tárgyfelelős neve: Szieberth Dénes Általános célkitűzés: A kémiai tudás közös szintre hozása, a törzsanyag és speciális tárgyak alapjainak megteremtése, a modern kémia legfontosabb fogalmainak és szemléletmódjának összefoglalása. Az atomok szerkezete: A kvantummechanika kísérleti előzményei. A mikrorészecskékre vonatkozó alapvető törvényszerűségek. Kvantumszámok, pályák. Magasabb rendszámú atomok: a felépítési elv. A periódusos rendszer szerkezete és szabályosságai, elektronegativitás. A kémiai kötés és a molekulák szerkezete: Elektroneloszlás és a kémiai kötés elmélete. Kovalens, ionos, datív kötés. Kvalitatív molekulapálya modell, kétatomos molekulák szerkezete, az oxigén paramágnesessége σ és π kötések, delokalizáció. A molekulák térszerkezete: a VSEPR és a hibridizációs modell, hibridállapotok. Az elektronsűrűség. Kondenzált fázisok: Folyadékállapot és jellemzése. Szilárd állapot és jellemzése. Atom,- ion,- fémes, és molekularács. Fémek szerkezete és a sávelmélet. Másodlagos kötőerők fajtái. A termodinamika főtételei. Energia-munka. Kölcsönhatások, erők és áramok. Az entrópia és a kémiai potenciál fogalma. A fundamentális egyenlet. Az egyensúly fogalma, az egyensúly és a rendszer energiatartalmának összefüggései. Izoterm, izobár egyensúly. A szabadentalpia. Kémiai rendszerek, kémiai reakciók egyensúlya. Egyensúlyi állandó. Gázegyensúlyok, folyadékegyensúlyok, heterogén egyensúlyok. Elektrolit egyensúlyok. Sav-bázis reakciók egyensúlya; A ph fogalma, savak erősségének jellemzése. Sav-bázis elméletek, Lewis savak és bázisok, HSAB és FMO elmélet. A kémiai reakciók sebessége. A sebességi állandó. A sebesség hőmérsékletfüggése (Arrhenius összefüggés). A reakciók mechanizmusa. Aktiválási gát, a reakciók termodinamikájának és kinetikájának összefüggése. 7
SZAKMAI TÖRZSANYAG Számítástechnika 0+0+2 óra Tárgyfelelős neve: Varga Gábor Általános célkitűzés: A tárgy célja a számítógép programozás mélyebb elsajátítása egy konkrét, a tárgy keretei között számítógép segítségével megoldandó fizikai, műszaki probléma kapcsán. A megoldandó feladat kiválasztása történhet a hallgató által is. A félév első felében a hallgató elsajátítja a MATLAB programozási nyelvet oktatói segítséggel. A MATLAB negyedik generációs programnyelv, a műszaki számítások programnyelve. Rendkívüli előnye, hogy a felhasználónak nem a programozás mikéntjére, hanem inkább a megoldandó problémára kell koncentrálnia. Ez a későbbi tanulmányokban illetve a kutatásokban időmegtakarítást jelenthet. A félév második felében a nanoszerkezetekhez kapcsolódó problémákat oldunk meg MATLAB programozási nyelv segítségével. Tehát a tantárgy felépítése alapvetően két részre tagolódik. I) A MATLAB programozásának alapjai: A MATLAB környezetének és programozásának a megismerése: mátrix műveletek, a lineáris algebra elemei, egy-, két- és háromváltozós függvények ábrázolása, nyomtatás, file kezelés, adat típusok, vezérlő utasítások, függvények, hibakeresés, interaktív felhasználói grafikus felület. II) A MATLAB használata alkalmazásokon keresztül: Energia sávszámítás, félvezető nanoszerkezetek elektrosztatikája, sokrészecske probléma egyrészecske közelítése félvezető nanoszerkezetekben, kvantum pöttyök fizikai viselkedésének leírása, elektronikus zaj nanoszerkezetekben: szűrés és átviteli szélesség. 8
Nanokémia 1. félév: 2+0+0 óra 2. félév: 0+0+2 óra Tárgyfelelős neve: Hórvölgyi Zoltán Általános célkitűzés: A nanokémia a nanotechnológiákat megalapozó tudományterület, leginkább a klasszikus kolloidkémiai ismereteket foglalja össze, ill. egészíti ki az újabb kori ismeretekre alapozva. A kémia nanotechnológiai jelentőségét két aspektusból lehet megragadni: egyrészt a nanotechnológiai eszközök működését biztosító szerkezet kémiai úton történő kialakításának, másrészt a nanotechnológiai eszközökben és folyamatokban fellépő kémiai, fizikai-kémiai kölcsönhatásoknak a szemszögéből. Előadásunk célja, hogy bemutassuk a kémia szerepét és lehetőségeit a nanotechnológiák kifejlesztésében. 1. félév (elmélet) A kolloid rendszerek szerepe a nanotechnológiákban. A kolloid rendszerek stabilitását megszabó tényezők. Elektromosan és nem elektromosan stabilizált szolok. A kolloid részecskék méretének és morfológiájának vizsgálata. Nanoléptékű önszerveződés. Nanoszerkezetű anyagok előállítása. Fontosabb szerkezetvizsgálati módszerek. Határfelületi jelenségek a nanotechnológiában. Nanoanyagok fontosabb típusai és alkalmazása. 2. félév (laboratóriumi gyakorlat) Kolloid diszperziók előállítása és jellemzése; Kolloid aggregációs jelenség tanulmányozása spektrofotométerben; Nanoszerkezetű szol-gél bevonatok előállítása és jellemzése; Nanoléptékben érdes felületek előállítása, felületmódosítása és nedvesedésének jellemzése; 9
Pásztázó mikroszkópiás módszerek 2+ 0+2 óra Tárgyfelelős neve: Molnár László Milán Pásztázószondás mikroszkópia (SPM) történeti háttere, kategorizálás. Technológiai előfutárok: profilmérők, pásztázás nélküli nano erőmérők. Általános készülékkonstrukció: mozgatás, optikai (reflexiós, interferometrikus) magasságmeghatározás, visszacsatolás. SPM típusai részletesen: alagútmikroszkópia, egyszerű atomerő-mikroszkópia (kontakt és tapping AFM), non-kontakt AFM, pontspektroszkópia. Távolható erők mérésére alapozott üzemmódok: elektrosztatikus és mágneses mikroszkópia, kétáthaladásos technika. Erőmodulációs mérés. Felületi manipuláció STM-mel és AFM-mel. Speciális technikák: Raman-AFM, Kelvin-szonda, termikus, közeltéri optikai mikroszkópia. Mérési műtermékek. Adatelemzés, -szűrés és -prezentáció. Alkalmazások: felületistruktúra-meghatározás, bioreceptorok minősítése, atomi felbontás elérése HOPG-n. 10
Nanoszerkezetek elektromágneses és optikai tulajdonságai 2+0+ 0 óra Tárgyfelelős neve: Szabó Zsolt, Koppa Pál A tantárgy bevezetést nyújt az elektromágneses hullámok és a nanoszerkezetek kölcsönhatásának elméletébe. Tárgyalja az elektromágneses tér forrásait és terjedését dielektrikumokban és vezetőkben, szükséges elektromágneses ismereteket, közelítő és numerikus módszereket az elektromágneses tér és a nanostruktúrák kölcsönhatásának vizsgálatára. Ezen módszerek ismeretében tárgyalja a kompozit anyagok, plazmonikus szerkezetek és fotonikus kristályok témakörét, valamint bemutatja ezen szerkezetek alkalmazásának lehetőségeit és áttekinti az alapvető előállítási technológiákat és mérési módszereket. 11
Nanoérzékelők 2+0+0 óra Tárgyfelelős neve: Sántha Hunor, Mizsei János Érzékelőkkel kapcsolatos alapfogalmak (érzékelők fogalma, felosztása, jellemzői, intelligens és integrált érzékelők, érzékelés, mint energiaátalakítási és informatikai folyamat). Alapjelenségek: gáz-szilárdtest, folyadék-szilárdtest, szilárdtest-szilárdtest határfelületeken fellépő fizikai jelenségek és ezek érvényesülése nanométeres méretekben.. Eszközszerkezetek és a nanométeres méretekkel kapcsolatos hatások az érzékelőkben: ellenállás (impedancia) szerkezetek, aktív (félvezető) eszközök, elektrokémiai cellák, kalorimetrikus, rezonátor és száloptikai típusok. Fizikai érzékelők és alkalmazásaik: hőmérsékletmérés, hőmérsékletérzékelők egyéb alkalmazásai, mechanikai érzékelők alkalmazásai, ultrahang érzékelők az echográfiában, nukleáris detektorok a radiológiában, mágneses érzékelők alkalmazásai, áramlásmérés. Kémiai érzékelők és alkalmazásaik: ph és egyéb elektrokémiai érzékelők, optikai szálas érzékelők, kombinált típusok, oximetria, ionszelektív érzékelők. Bioérzékelők: enzimatikus ill. biokatalitikus érzékelők, DNS-chipek, élő bioszenzorok. 12
Kísérleti nanofizika 2 +0+0 óra Tárgyfelelős neve: Halbritter András Általános célkitűzés: Az elmúlt évtizedben az elektronikai eszközök miniatürizálása áttörő fejlődésen ment keresztül. A mindennapjainkban használt készülékek építőkövei már súrolják a nanométeres mérethatárt, így a további méretcsökkentés nem egyszerű technológiai probléma. A nanométeres méretskálán az elektronok koherens viselkedése és kölcsönhatása, ill. az anyag atomi kvantáltsága számos új jelenséget eredményez, melyek feltérképezése és megértése a nanofizikai alapkutatás komoly kihívása. A kurzus ezen jelenségkörökbe kíván bepillantást nyújtani, elsősorban új kísérleti eredmények bemutatásán és szemléletes megértésén keresztül. Bevezetés, félvezető nanoszerkezetek készítése Karakterisztikus méretskálák a nanofizikában; félvezető ipar fejlődése; félvezető heteroátmenetek, kétdimenziós elektrongáz; nanostruktúrák készítése Nanovezetékek Diffúzív és ballisztikus nanovezetékek; ballisztikus transzportkísérletek; kvantum vezetékek - Landauer formalizmus; vezetőképesség kvantálás; 4-pont ellenállás mérése; kölcsönhatási jelenségek nanovezetékekben Interferencia-jelenségek nanoszerkezetekben Ellenállások koherens és inkoherens sorba kapcsolása egycsatornás nanovezetékben; Aharonov - Bohm effektus mezoszkópikus gyűrűkben; környezet miatti koherenciavesztés; vezetőképesség fluktuációk; gyenge lokalizáció; elektron - elektron kölcsönhatás diffúzív vezetőkben Atomi méretű kontaktusok vizsgálata a mezoszkópikus fizika eszköztárával Kísérleti módszerek; egyatomos kontaktus vezetőképessége, mezoszkópikus PIN-kód: vezetőképesség kvantálás, sörét zaj, subgap struktúra, vezetőképesség fluktuációk, dinamikus Coulomb blokád; atomi láncképződés; "molekulák vezetőképessége" Kvantum dotok Kvantum dotok alapjai; kvantum dotok, mint mesterseges atomok, kvantum dot alkalmazasok, dupla kvantum dotok, kvantum dot, mint Spin Qubit A zaj mint jel A zaj definíciója, a zaj típusai; zajsűrűség számolása egycsatornás kvantumvezetékben; sörétzaj kvantum pont-kontaktusban; véges frekvenciás zaj, zérusponti fluktuációk zaja; sörétzaj diffúziv nanovezetékekben; töltéshordozók töltésének mérése; klasszikus és kvantum káosz kaotikus billiárdokban; nyalábosztós kísérletek, kétrészecske interferencia; Hanbury Brown & Twiss kísérlet fotonokkal és elektronokkal Kvantált Hall effektus Egész számú kvantum Hall effektus, Landau szintek, élállapotok, rendezetlenség szerepe; tört számú kvantum Hall effektus, Chern-Simon transzformáció, kompozit fermionok 13
Nanoszerkezetű mérnöki anyagok és nanokompozitok 2+ 0+0 óra Tárgyfelelős neve: Vas László Mihály, Dévényi László Nanoszerkezetű fémek és kerámiák. Fémalapú tömbi struktúrák. Intenzív képlékeny alakítási, porkohászati, kémiai technológiák. Fémalapú vékonyréteg struktúrák. Hűtési hőmérsékletgradiens módszerek. Szórásos, lecsapatásos, elektrokémiai technológiák. Fémvegyület vékonyrétegek. Mechanikai és hőmérsékleti stabilitás, élettartam. Fémmátrixú nanokompozitok. A nanoelektronika alapjai. Nanomágnesség. Nanodiffúzió. Nanoszegregáció. Fémbázisú nanokompozitok vizsgálati módszerei. Nanoszerkezet értelmezése a polimereknél. Nanoszerkezetű homopolimerek. Orientálatlan és orientált részbenkristályos szerkezetek, előállításuk módjai. Többfázisú nanoszerkezetű polimerek; kopolimerek, polimer keverékek, egymásba hatoló térhálós szerkezetek, polimer gélek, fázismorfológiák, előállítás módjai. Polimer membránok, nanofóliák, nanoszálak, nanoszerkezetű szálfelületek és bevonatok, előállításuk módjai. Polimer nanokompozitok. Önerősített kompozitok, előállításuk módjai. Rétegszilikátokkal, nanocsövekkel, grafénnel erősített nanokompozitok, előállításuk módjai és problémái. Nanokompozit fóliák, szálak. Vizsgálati módszerek, szerkezet és tulajdonság összefüggései. 14
Nanoanyagok környezeti viselkedése 2+0+0 óra Tárgyfelelős neve: László Krisztina Az tantárgy két fő témával foglalkozik: 1) Nanorészecskék (természetes és szintetikus) viselkedése és sorsa a környezet különböző kompartmentjeiben (víz, levegő és talaj) A nanoanyagok környezeti viselkedés szempontjából meghatározó szerkezeti és kémiai sajátságai 2) Nanotechnológiák alkalmazása a környezetvédelemben. Ismertetjük a nanoanyagok környezeti meghatározásának ill. jellemzésének különböző módszereit. Nanotechnológiák a víz- es talajtisztításban. Nanorészecskék ökotoxikológiai hatásai. 15
SPECIÁLIS SZAKISMERETEK Nanoelektronika 2+0+0 óra Tárgyfelelős neve: Csonka Szabolcs Bevezetés Nanoszerkezetek készítése, a nanofizika alapfogalmai (kvantum pont-kontaktusok, vezetőképesség kvantálás, interferenciajelenségek nanoszerkezetekben, dekoherencia, kvantum dotok, kvantum Hall élállapotok, hibrid nanoszerkezetek Szén nanoszerkezetek grafén, szén nanocsövek, fullerének (fizikai alapok és alkalmazások) Félvezető nanoszerkezetek Félvezető heteroszerkezetek, 2D elektron és lyukgázok Molekuláris elektronika egyedi molekulák kontaktálása és vezetési tulajdonságai, molekuláris kapcsolók, szenzorok és tranzisztorok Spintronika GMR, spinszelep, spinnyomaték, spin dekoherencia, spin injektálás, nemlokális mérések, ipari alkalmazások Szupravezető nanoszerkezetek Andreev reflexió, mezoszkópikus proximity effektusok, szupravezető kvantum dotok és QBIT-ek, hibrid nanoszerkezetek, méréstechnikai alkalmazások. 16
Bionanotechnológia 2+0+0 óra Tárgyfelelős neve: Szarka András Molekuláris gépezetek: fehérjék, amelyek enzimaktivitását, mint például az energia átalakítás vagy önszerveződés, nagy hatékonysággal lineáris vagy körkörös mozgás létrehozására alkalmazzák a nanométeres mérettartományban. Funkcionális membránfehérjék: ilyenek az ioncsatornák és receptorok, amelyek tulajdonképpen a biológia által kifejlesztett nanokapcsolók és folyamatindító rendszerek (trigger). Nanoelektronika és fotonika: elektromosan vagy optikailag aktív biomolekulák alkalmazása aktív készülékek, hálózatok és bioszenzorok létrehozásában. Önszerveződő nanoszerkezetek: például DNS alapú nanoszerkezetek és gépezetek. Ebbe beletartozhat az új analitikai, diagnosztikai módszerek közül az aptamerek, illetve feltétlenül a nanogépezetek közül az in vitro transzlációs apparátus. Detektáló és vizsgáló módszerek: pásztázó atomerő mikroszkópizálás, egyetlen molekulás detektálás és manipuláció, valamint atomszintű/mezoszkópikus elméleti modellezés és szimuláció, plazmon rezonancia rövid áttekintése 17
Felületvizsgálati módszerek 2+0+2 óra Tárgyfelelős neve: Dobos Gábor Általános célkitűzés: A tárgy célja, hogy megismertesse a hallgatókat a különböző felületvizsgálati módszerekkel. Az előadások során áttekintjük a legelterjedtebb felületanalitikai-, illetve felületérzékeny szerkezet- és morfológiavizsgálati módszerek működésének fizikai alapjait, a felületérzékenység biztosításának módjait, az egyes módszerek jellemzőit és tipikus felhasználási területeit. A félév második felében a hallgatóknak lehetőségük nyílik a gyakorlatban is megismerkedni a leggyakrabban használt felületanalitikai módszerekkel. (XPS, SIMS, AES) 18
Nanoelektronikai technológiák 2+0+0 óra Tárgyfelelős neve: Mizsei János Számítástechnika, információ technológia és a VLSI technológia kapcsolata, analóg és digitális információfeldolgozás. Eszköz nemlinearitás mint a digitális technika alapja. Részecskék potenciálgödörben, elvi korlátok: kt, zajok, fluktuációk. Az integrálás és a méretcsökkentés elvi és gyakorlati korlátai a jelenlegi CMOS nanoelektronikában (adalékolás, szigetelés, litográfia). Alapvető fizikai törvények és elvek (határozatlansági reláció, hullámelhajlás, sztochasztikus folyamatokra vonatkozó törvények). Karakterisztikus távolságok és idők (diffúziós hossz, Debye hossz, tértöltés kiterjedése, elektron hullámhossz, fény hullámhossz, atomi távolságok, adalékatomok távolsága, élettartamok, dielektromos relaxációs idő). Terjedési idő, energia- fogyasztás, disszipáció, hőelvezetéssel kapcsolatos korlátok. Nanoelektronikai eszközök és technológiáik. 19
Nanoszerkezetű mérnöki anyagok és nanokompozitok laborgyakorlat 0+0+2 óra Tárgyfelelős neve: Mészáros László, Bognár Eszter Nanoszerkezetű, orvostechnikai célú mérnöki anyagok: polimerek, fémek, ötvözetek és kompozitok. Bevonatok szerepe, szerkezeti felépítésének vizsgálata. Különböző implantátumok jellemző károsodási formája, károsodásanalízis. A nanorészecskék kompozit technológiai alkalmazhatósága. Polimer mátrixú nanokompozitok előállítása, és a nanorészecskék a polimerek főbb tulajdonságaira gyakorolt hatásának elemzése. 20
Nanoszerkezetek vizsgálati módszerei 0+0+2 óra Gyógyszerkészítmények nanotechnológiái Tárgyfelelős neve: Marosi György Különböző geometriájú nano-hatóanyagok és -segédanyagok makroszkópikus jellemzőinek vizsgálata (látszólagos sűrűség, diszperálás különböző folyadékokban, elektrosztatikus jellemzők, adszorpciós készség, stb.); Különböző geometriájú nano-hatóanyagok és - segédanyagok kolloidikai jellemzőinek vizsgálata (fajlagos felület, felületi feszültség meghatározási módszerek stb.); Nanoőrlés (pl. Elan technológia); Nanorészecskék előállítása kicsapásos módszerrel; Elektrosztatikus nanoszálképzés; Pickering emulzió készítés; Nanoréteg leválasztás hordozókon; Hatóanyagtartalmú nanokompozit készítés; A hatóanyagkioldódás vizsgálata nanogyógyszerekből; Nanorészecskék és nanogyógyszerek SEM és TEM vizsgálata; Nanorészecskék és nanogyógyszerek XRD vizsgálata; Nanorészecskék és nanogyógyszerek fényszórásos vizsgálata; Nanorészecskék és nanogyógyszerek spektrometriai jellemzése. Orvosbiológiai alkalmazások Tárgyfelelős neve: Dobránszky János, Szebényi Gábor, Molnár Kinga Különböző orvostechnikai alkalmazások során használt polimerek, fémek, ötvözetek. Bio- és hemokompatibilitás, biofunkcionalitás. Orvostechnikában alkalmazott fém és polimer alapú anyagok és technológiájuk. Implantátumok anyagai. Károsodásanalízis. Elektrospinning - nanoszálas orvostechnikai szűrő előállítása elektrosztatikus szálképzéssel; Nanoszálas orvostechnikai szűrő mechanikai tulajdonságainak vizsgálata; Nanoszálas orvostechnikai szűrő morfológiai vizsgálata; Nanoszálas orvostechnikai szűrő funkcionális vizsgálata; Sztentek felületkezelése: kémiai maratás, elektropolírozás, a paraméterek optimalizálása; Sztentek nanobevonatolása és a bevonat szerkezetvizsgálata: a bevonatok felvitele a mintákra, összehasonlító vizsgálatok elvégzése; Nanokerámia fogimplantátumok; Nanokerámia csípőprotézisek; Nanoszerkezetű térdprotézis; Implantátumok koptatóvizsgálata. VEM mikrotechnikai, mechatronikai alkalmazásai Tárgyfelelős neve: Lipovszki György, Bojtos Attila, Paróczi Annamária A végeselemes (VEM) modellezésre szolgáló ANSYS program megismerése és alkalmazása összetett mikro-mechatronikai feladat tervezéséhez. Mikro- és nanométeres struktúrákkal rendelkező mechatronikai eszközök végeselemes vizsgálatai ANSYS Workbench program segítségével. MEMS alapú érzékelők és aktuátorok működésének szimulációja, statikus és dinamikai analízise. Tranziens jelenségek és harmonikus gerjesztés hatásának vizsgálata. Modal analízis. Piezorezisztív elven működő MEMS alapú erőmérő szenzor statikus mechanikai szimulációja. A geometria és anyagmodell létrehozása, peremfeltételek beállítása és az eredmények lekérdezése; Piezorezisztív elven működő MEMS gyorsulásérzékelő tranziens mechanikai, modal- és harmonikus analízise; Kapacitív és elektromágneses elven működő szenzorok és aktuátorok elektrosztatikus és mágneses szimulációja; Hiperelasztikus nyúlásmérő szenzor anyagmodelljének létrehozása és működésének szimulációja; Nemlineáris, ortotróp anyagok és inhomogén struktúrák modellezése. 21