SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK



Hasonló dokumentumok
ÉRZÉKELŐK. Dr. Pődör Bálint. Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet

MIKRO- ÉS NANOTECHNIKA II: NANOTECHNOLÓGIA

Grafén nanoszerkezetek

A nanotechnológia mikroszkópjai. Havancsák Károly, január

Havancsák Károly, ELTE TTK Fizikai Intézet. A nanovilág. tudománya és technológiája

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

NANOELEKTRONIKA ÉS KATONAI ALKALMAZÁSAI

Analitikai szenzorok második rész

A jövő anyaga: a szilícium. Az atomoktól a csillagokig február 24.

ATOMI ERŐ MIKROSZKÓP OKTATÁSI MODELL ATOMIC FORCE MICROSCOPE MODEL IN SCHOOL

NANOELEKTRONIKA JEGYZET MIZSEI JÁNOS RÉSZEIHEZ

Beszámoló OTKA T Nanoelektronikia kvantum-eszközök tér-idő dinamikájának szimulációja környezeti hatások figyelembevételével

Nanotudományok vívmányai a mindennapokban Lagzi István László Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszék

Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból?

LEHET-E TÖKÉLETES NANOELEKTRONIKAI ESZKÖZÖKET KÉSZÍTENI TÖKÉLETLEN GRAFÉNBÔL?

József Attila Gimnázium és Eü. Szakközépiskola spec. mat.

Magyarkuti András. Nanofizika szeminárium JC Március 29. 1

A FIZIKUS SZEREPE A DAGANATOS BETEGEK GYÓGYÍTÁSÁBAN

A polimer elektronika

Integrált áramkörök/1. Informatika-elekronika előadás 10/20/2007

NEUTRON-DETEKTOROK VIZSGÁLATA. Mérési útmutató BME NTI 1997

Biomolekuláris rendszerek. vizsgálata. Semmelweis Egyetem. Osváth Szabolcs

STM laborgyakorlat segédlet, MTA MFA, v BEVEZETÉS

AMIRŐL A RADARTÉRKÉP MESÉL

Fizikai kémia és radiokémia labor II, Laboratóriumi gyakorlat: Spektroszkópia mérés

KOCH VALÉRIA GIMNÁZIUM HELYI TANTERV FIZIKA évfolyam évfolyam valamint a évfolyam emelt szintű csoport

PLAZMAVÁGÁS GÁZELLÁTÁSI KÉRDÉSEI

Száloptika, endoszkópok

A TANTÁRGY ADATLAPJA

EBSD-alkalmazások. Minta-elôkészítés, felületkezelés

Villamos tulajdonságok

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: FET tranzisztoros kapcsolások

SAVARIAI ISEUM TERÜLETÉN ELŐKERÜLT EGYIPTOMI KÉK PIGMENT LABDACSOK ÉS FESTÉKMARADVÁNYOK OPTIKAI MIKROSZKÓPOS VIZSGÁLATA HARSÁNYI ESZTER

Ph Mozgás mágneses térben

BŐVÍTETT TEMATIKA a Kondenzált anyagok fizikája c. tárgyhoz

A kén kémiai tulajdonágai, fontosabb reakciói és vegyületei

Az optikai szálak. FV szálak felépítése, gyakorlati jelenségek

Intelligens és összetett szenzorok

A tanulmányok alatti vizsga vizsgaszabályzata. A vizsgaszabályzat célja, hatálya. Az értékelés rendje

'lo.g^ MA Go 1 /V Z. \flz I SZOLGÁLATI TALÁLMÁNY

Elektromágneses sugárözönben élünk

Áramvezetés Gázokban

Digitális Technika I. (VEMIVI1112D)

Mikrofluidika I. - Alapok

Diagnosztikai röntgen képalkotás, CT

2. modul 2. lecke: Oxidkerámiák

EXKLUZÍV AJÁNDÉKANYAGOD A Phrasal Verb hadsereg! 2. rész

RAJZOLATI ÉS MÉLYSÉGI MINTÁZATKIALAKÍTÁS II:

CCD detektorok Spektrofotométerek Optikai méréstechnika. Németh Zoltán

XV. FIATAL MŰSZAKIAK TUDOMÁNYOS ÜLÉSSZAKA

Tervezte és készítette Géczy László

A MUTATÓNÉVMÁSOK. A mutatónévmások az angolban is (mint a magyarban) betölthetik a mondatban

A ROBOTIKA ALKALMAZÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI A HAD- ÉS BIZTONSÁGTECHNIKAI MÉRNÖK KÉPZÉSBEN

Azonosító jel: KÉMIA EMELT SZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA október :00. Az írásbeli vizsga időtartama: 240 perc

Modern mikroszkópiai módszerek

NÉHÁNY MEGJEGYZÉS A BURKOLÓFELÜLETEK VIZSGÁLATÁHOZ

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK, MINT SUGÁRZÁSÉRZÉKELŐ DETEKTOROK

Digitális Technika I. (VEMIVI1112D)

ELEKTRONIKA I. TRANZISZTOROK. BSc Mérnök Informatikus Szak Levelező tagozat

NANOTECHNOLÓGIA - KÖZÉPISKOLÁSOKNAK NAOTECHNOLOGY FOR STUDENTS

HEVESY GYÖRGY ORSZÁGOS KÉMIAVERSENY

A DIFFÚZIÓS KÖDKAMRA ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEI A KÖZÉPISKOLAI MAGFIZIKA OKTATÁSBAN

Kvantitatív Makyoh-topográfia , T

Integrált áramkörök termikus szimulációja

2. OPTIKA 2.1. Elmélet Geometriai optika

Elektrokémia. A nemesfém elemek és egymással képzett vegyületeik

MIKRO MÉRETŰ PILÓTA NÉLKÜLI REPÜLŐK REPÜLÉSBIZTONSÁGI KÉRDÉSEI ELEKTROMOS TÁPELLÁTÁS BIZTONSÁGA

DOKTORI (PHD) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI SZAFNER GÁBOR

19. Az elektron fajlagos töltése

KÖZLEKEDÉSI ALAPISMERETEK (KÖZLEKEDÉSTECHNIKA)

NYOMÁSOS ÖNTÉS KÖZBEN ÉBREDŐ NYOMÁSVISZONYOK MÉRÉTECHNOLÓGIAI TERVEZÉSE DEVELOPMENT OF CAVITY PRESSURE MEASUREMENT FOR HIGH PRESURE DIE CASTING

Kapuáramkörök működése, felépítése, gyártása

FAGYI-TUDOMÁNY FAKULTATÍV INTEGRÁLT PROJEKT KÖZÉPISKOLÁSOKNAK ICE-CREAM SCIENCE FACULTATIVE SCIENCE PROJECT FOR HIGH SCHOOL STUDENTS

2. Melyik az, az elem, amelynek harmadik leggyakoribb izotópjában kétszer annyi neutron van, mint proton?

Kísérletek elektrolitikusan előállított spinszelep rendszer létrehozására

A PÁLYÁZAT LEFOLYÁSA, SZEMÉLYI, TARTALMI VÁLTOZÁSAI

DR. SZABÓ LÁSZLÓ 1 DOBOS GÁBOR 2

1. MINTAFELADATSOR KÖZÉPSZINT

ÉLESEBB PENGEÉL A JOBB ELLÁTÁS ÉRDEKÉBEN

Precíziós mérőeszközök rövid ismertetője

Mapping Sequencing Reads to a Reference Genome

Konfokális mikroszkópia elméleti bevezetõ

Szerves kémiai analízis TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Szakképesítés-ráépülés: Műszeres analitikus Szóbeli vizsgatevékenység A vizsgafeladat megnevezése: Analitikai elemző módszerek

F1301 Bevezetés az elektronikába Térvezérlésű tranzisztorok

Laptop: a fekete doboz

RONCSOLÁSMENTES VIZSGÁLATTECHNIKA

Újra Kogutowicz Manó glóbuszairól egy készülő országos glóbuszkataszter kapcsán

MŰSZERTECHNIKA Gépészmérnöki BSc Felkészülési kérdések és válaszok a ZH-hoz

Robotika. 3. Érzékelés Magyar Attila. Pannon Egyetem Műszaki Informatikai Kar Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék

Térvezérlésű tranzisztor

Angol Középfokú Nyelvvizsgázók Bibliája: Nyelvtani összefoglalás, 30 kidolgozott szóbeli tétel, esszé és minta levelek + rendhagyó igék jelentéssel

Fizika évfolyam

Általános 5-8. évf. Természettudományos gyakorlat

2. Két elírás: 9. oldal, 2. bekezdés - figyelembe, fegyelembe, 57. oldal első mondat - foglalkozok, foglalkozom.

Elektronika. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke

A PLÁ k programozhatóságát biztosító eszközök

41. A minıségügyi rendszerek kialakulása, ISO 9000 rendszer jellemzése

Fizika 2 (Modern fizika szemlélete) feladatsor

MŰANYAGOK FELDOLGOZÁSA

Átírás:

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 22. ELŐADÁS: NANOTECHNOLÓGIA ÉS ÉRZÉKELŐK I: BEVEZETÉS A NANOTECHNOLÓGIÁBA 2015/2016 2. félév 1

AJÁNLOTT IRODALOM: NANOTECHNOLÓGIA Mojzes Imre, Molnár László Milán: Nanotechnológia, Műegyetemi Kiadó, 2007 Az első magyar nyelvű, egyetemi oktatási célra készült összefoglaló könyv! könyvünket elsősorban a műszaki és természettudományos egyetemistáknak, PhD-hallgatóknak szánjuk. Példáink elsősorban az ő alapismereteire épülnek, megmutatva a szerves és élő világ fontos alkalmazásai közül néhányat. 2

AJÁNLOTT IRODALOM: NANOTECHNOLÓGIA Magyar Tudomány 2003 (9) Nanotechnológia tematikai szám, szerk. Gyulai József. Letölthető (!) cikkenként: www.matud.iif.hu Az érzékelőkhöz ajánlott elolvasni (ugyanitt): Bársony István: Mikrogépészeti eljárásokkal a nanotechnológia felé, 1083-1089 old. 3

NANOTUDOMÁNY ÉS NANOTECHNOLÓGIA Mi a nanotudomány/nanotechnológia? Igen kisméretű, nagyjából 1 nm és 100 nm közötti méretű objektumok, az ezen a skálán végbenő jelenségek és folyamatok vizsgálata, feltárása, az objektumok és szerkezetek előállítása és alkalmazása. Rohamosan fejlődő, interdisziplináris terület, mely többek között magában foglal fizikát kémiát NANO biológiát technológiát anyagtudományt elektronikát, stb. 4

MIKROTECHNOLÓGIA Az elmúlt 50 évben az elképesztő miniatürizálás az elmúlt években kifejlesztett és iparilag alkalmazott mikrotechnológiának köszönhető. A mikrotechnológia ma éli virágkorát, és az elektronika, azon belül az informatika döbbenetes fejlődését hozta magával. Létét a mikroszkópnak köszönheti, és legfontosabb gyártási eszköze, mely egyben az előállított eszközök legkisebb karakterisztikus méretét meghatározza, a fotolitográfiás eljárás, amikor is vékony rétegeken, elsősorban félvezetőkön, azon belül is a szilícium egykristály felületén az eszközök alapjául szolgáló struktúrákat alakítanak ki lényegében a fényképezés segítségével. Néhány négyzetmilliméter felületen tranzisztorok ezreit, sőt millióit lehet ily módon felépíteni. A döntő szempont, hogy ezen összetett rendszerek tömeggyártásban készülnek, olcsók és rendkívül megbízhatóan működnek. 5

TECHNOLÓGIAI MÉRETSKÁLÁK mm-es technológia: m-es technológia: nm-es technológia: mili technológia mikrotechnológia nanotechnológia Általánosan elfogadott határ a mikro- és nanotechnológia között: jellemző méret 0,1 m (100 nm) A félvezető (IC) technológia (tömeggyártás!) már 2003- ban átlépte ezt a küszöböt. Szenzorok: jelenleg folyik a behatolás a nanovilágba! 6

A NANOVILÁG FELÉ 7

MM-ES TECHNOLÓGIA, FINOMMECHANIKA Kb. 500-600 évvel ezelőtt élte világkorát a finommechanika, mely a maga korában a csúcstechnológiát jelentette. Az órásmesterek, ötvösök csipeszek, és nagyítók segítségével állítottak elő, a kor csúcstechnológiáját jelentő szerkezeteket; pl.: órákat, zenélő-mozgó szerkezeteket, programvezérelt robotokat. Az előállított termékek érdekességei, hogy egyediek, kézi gyártmányúak, és a gyártó mester kézügyességén múlott a pontossága, megbízhatósága, mivel komoly megmunkáló gépekkel nem rendelkeztek ekkor még. A finommechanika a millitechnológia korszaka volt. A fennmaradt eszközök precizitása a mai szemmel is bámulatos megoldásokat, és megmunkálásokat hordoz. 8

A világ technikai forradalmának kulcseleme: a számítástechnikában csúcsosodó mikroelektronika, annak a miniatűrizációja húzta az összes ipart MIKROTECHNOLÓGIA ÉS MIKROELEKTRONIKA Moore szabály 9

MOORE SZABÁLY G. Moore (Fairchild/Intel) 1960-as években fogalmazta meg: 90/130 nm csomópont Jellemző méretek 1,8-2 évente feleződnek 10

MOORE SZABÁLY Logic technology node and transistor gate length versus calendar year. Note mainstream Si technology is nanotechnology.

TECHNOLÓGIÁK AZ INTELNÉL Minden második évben új technológiát vezettek be 1989 óta

GATE OXID MÉRETCSÖKKENÉSE 50 nm

A TECHNIKAI FEJLŐDÉS Minden új technológia jellemzője: ~ 0,7x minimális csíkszélesség ~ 2,0x tranzisztor sűrűség ~ 1,5x tranzisztor kapcsolási sebesség Csökkent chip teljesítmény Csökkent chip költség

90 NM-ES PROCESS JELLEMZŐI Nagy sebesség, alacsony fogyasztású tranzisztorok 1,2 nm gate oxid 50 nm gate hossz Feszített szilícium technológia Gyorsabb, sűrűbb összeköttetések 7 réz réteg Új low-k dielektrikum Alacsony chip költség 1,0 μm 2 -es SRAM memória cella méret 300 mm-es szelet

90 NEM-ES TRANZISZTOR

90 NM TECHNOLÓGIA GATE OXIDJA 1,2 nm SiO2 A gate oxid kevesebb, mint 5 atomi réteg vastag

A TRANZISZTOR ÁRAMÁNAK NÖVELÉSE Fully-silicated (FUSI, teljesen, a gate aljáig átszilicidált) és fém gate ( dual gate ) Gate oxid vastagságának csökkentése 2 nm alatt nagy szivárgás a SiO 2 ben nagy ϵ (high k) anyagok (hafnium és cirkónium oxid) Mozgékonyság növelése a csatornában Feszített szilícium struktúrák

FESZÍTETT SZILÍCIUM TRANZISZTOR

FESZÍTETT SZILÍCIUM TECHNOLÓGIA Strain-relaxed buffer (SRB) technológia: Si hordozóra SiGe réteg növesztése A Ge atomok több helyet foglalnak ~10 nm-es Si réteg növesztése igazodik a SiGe rácsához A felső Si réteg feszített, így nagyobb a mozgékonyság Kísérleti eredmények 20%-os növekedést mutatnak

FESZÍTETT SZILÍCIUM TRANZISZTOR Feszített struktúra előnyei A feszített rács növeli az elektron és lyuk mozgékonyságot A nagyobb mozgékonyság 10-20%-on növekedést eredményez a tranzisztor meghajtó áramában Mind az NMOS, mind a PMOS tranzisztort javítja Feszített szilícium eljárás Az Intel egyedi gyártástechnológiája Nem hátrányos a csatornarövidülés hatásra vagy a szivárgásra A hozzáadott folyamat lépések a teljes folyamat költségét ~2%-kal növelik

FESZÍTETT SZILÍCIUM TRANZISZTOR Hátrányok A Ge termikus ellenállása nagyobb, mint a Si-é SOI-hez hasonló melegedési problémák A víz oldja a germánium-oxidot Az SRB technológia diszlokációkat okoz, melyek a feszített rétegbe vándorolva befolyásolja a csatorna szivárgást és a kihozatalt

90 NEM-ES TECHNOLÓGIA ÖSSZEKÖTTETÉSEI 7 rétegű réz összeköttetések 1 réteggel több, mint a 0,13 μm-es technológiánál Az extra rétegek költséghatékony fejlődést nyújtanak a logikai sűrűségben Új low-k dielektrikum bevezetése a vezetékvezeték kapacitást csökkenti Szén adalékolt oxid (CDO) dielektrikum 18%-kal lecsökkenti a kapacitást a 0,13 μm-es technológiánál alkalmazott SiOF dielektrikumhoz képest A csökkent kapacitás növeli a chipen belüli kommunikáció sebességét és csökkenti a fogyasztást

90 NEM-ES TECHNOLÓGIA ÖSSZEKÖTTETÉSEI

PLANÁR CMOS TRANZISZTOROK MÉRETCSÖKKENÉSE

ÚJ ANYAGOK MEGNÖVELIK A 90 NM-ES TECHNOLÓGIA TELJESÍTMÉNYÉT

HIGH-K GATE DIELEKTIKUMOK A high-k dielektrikum nagyobb kapacitást és kisebb szivárgást biztosít

TRI-GATE ARCHITEKTÚRA: MINTA A JÖVŐRE

MÁSIK NANO KONCEPCIÓ: III-V FÉLVEZETŐ TRAZISZTOROK Multi-epitaxiális réteg struktúra vegyület félvezetőknél

FÉLVEZETŐ LEHETŐSÉGEK ÉS KORLÁTOK A FET struktúrák mérete 11 nm-re fog csökkent 2012-2015-re A chipen belüli összeköttetések fordítva skálázódnak nagyobb méretek szükségesek a nagyobb sűrűség és órasebesség miatt A fő korlátot a teljesítmény disszipáció (1E-21J átkapcsoló kapunként) és szivárgó áram (in-state és out-state esetben is) okozza A jelenlegi technológiák teljesítménye nem fog jelentősen növekedni Az igazi teljesítménynövekedést új technológiák beintegrálása a CMOS technológiába hozhat

NANOESZKÖZÖK KÉPESSÉGEI ÉS KORLÁTAI Az új eszközök új lehetőségeket nyújtanak: Nagyobb sűrűség elvileg 1e12 cm -2 Új sávtervezett struktúrák, mint a Si nanovezeték nanolézer és a Si alapú félvezető heterostruktúrák a megnövelt mozgékonyságért és alacsonyabb teljesítményért Megnövelt hordozó mozgékonyság a lecsökkentett szóródás és kvantum confinement miatt De a nanoméretű eszközöknek korlátai is vannak: Nagyobb tulajdonság ingadozás az intrinsic processzek ingadozásai miatt Nagyobb hibaszázalékok az alacsonyabb szennyeződés követelmények és heterointegráció miatt Ismeretlen megbízhatósági hibamodellek Nem alkalmas monolitikai gyártásra Alacsony technológiai integráció a CMOS-szal A méretcsökkentés nem céloz meg fontos analóg eszköz és áramkör igényeket

NANOTECHNOLÓGIA Nanos görögül törpét jelent. Egy nanométer a méter egymilliárdnyi (10-9 -ed) része. A néhányszor tíz nanométer nagyságú fém és félvezető nanorészecskéket a kémikusok és a fizikusok már közel száz éve tanulmányozzák. Mivel az atomok átmérője tized nanométer, a molekuláké pedig nanométer nagyságrendű, így a kémia mindig is nanokémia volt, az atom- és molekulafizikát illetve a mezoszkopikus fizikát pedig nanofizikának is nevezhetnénk. A közelmúltig csak nanorészecske sokaságot és azt is csak statisztikai módszerekkel lehetett kísérlet tárgyává tenni. 34

NANOMÉRETES ESZKÖZÖK NANOTECHNOLÓGIA Minden olyan eszköz, amelynek jellemző hossza a nm tartományába esik. Nanotechnology - összefoglalóan a nm-es eszközökkel foglalkozó tudományágak angol elnevezése (benne van az elmélet, előállítás, alkalmazás is). Nanotechnológia - magyar terminológia, nm-es eszköz előállítási technológiája

NANOMÉRETES ESZKÖZÖK NANOTECHNOLÓGIA A betegségeink jelentős hányadát előidéző baktériumok jellemző méretei az 1-10 mikronos tartományba esnek. Ezt a méretet azért érdemes megjegyezni, mert a baktériumok többé-kevésbé "szabadon" közlekednek az élőlények testében. Ez az állítás fokozottan igaz a mikronnál kisebb objektumokra, az úgynevezett nanoobjektumokra. Egy nanométer ezerszer kisebb, mint a mikron, azaz egy baktérium 1000-10 000 egy nanométeres szeletre szeletelhető.

MÉRETARÁNYOK 37

MÉRETARÁNYOK: AZ EMBERTŐL A NANOMÉTERIG 38

NANOTECHNOLÓGIA: DEFINICÍÓ Nanotechnology is engineering of matter on the sub-100 nm scale, with the result of new components with novel properties. Új tulajdonság: 39

AZ ARANY MINDIG ARANY? Cutting down a cube of gold If you have a cube of pure gold and cut it, what color would the pieces be? Now you cut those pieces. What color will each of the pieces be? If you keep doing this - cutting each block in half - will the pieces of gold always look gold? 40

NANOARANY Az arany nm-es méretre darabolva már nem aranyszínű, hanem VÖRÖS! Sőt a méretettől függően vörös, kék, sárga, és más színűnek is látszanak. Oka: különböző vastagságú anyag-részecskék máskép nyelik el, illetve verik vissza a fényt. 12 nm-es aranyrészecskék vörösnek látszanak Más méreteknél a színük is más 41

NANOTECHNOLÓGIA KEZDETEI Az 1980-as és 1990-es években a nanokémia és nanofizika megkezdhette az egyedi nanorészecskék és egyedi molekulák világának birtokba vételét, mivel újfajta mikroszkópok és eljárások egész sora jelent meg. A pásztázó alagútmikroszkópok (Scanning Tunneling Microscope -STM) és az atomerő mikroszkópok (Atomic Force Microscope - AFM) már nem csak bepillantást engednek ebbe a világba, hanem kialakulóban vannak eljárások az anyag nanométeres finomságú megmunkálására is. Évről évre új mérési eljárások és műszerek, valamint új megmunkáló-gépek születnek, új nanotechnológiai laboratóriumok épülnek. 42

A NANOTECHNOLÓGIA SZÜLETÉSE A nanotechnológia születése kapcsán szokás Richard P. Feynman híres, 1959-es előadását idézni: There's Plenty of Room at the Bottom, An Invitation to Enter a New Field of Physics (Bőven van hely lefelé. Kedvcsináló a fizika új területének feltárására). Kivételes előrelátásra, vízióra vall, hogy még az integrált áramkörök megjelenése előtt, immár bő negyven éve megnevezte a méretek csökkentésének, azaz az integrációnak fő hajtóerejét: "Az információ nem terjedhet a fénysebességnél gyorsabban, így ahhoz, hogy számítógépeink egyre gyorsabban és precízebben működhessenek, egyre kisebb méretűekké kell válniuk. 43

A NANOTECHNOLÓGIA 1959 - Richard P. Feynman Nobel-díjas tudós: egy napon a tudomány segítségével képesek leszünk egy enciklopédia tartalmát egyetlen tűhegyre felírni 1981.09. - első tudományos közlemény a témában a Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban 1989 - az IBM kutatói (IBM Almaden Research Laboratory, San Jose, California), pásztázó alagút mikroszkóp segítségével 35 xenon (Xe) atomot helyeztek el egy -270 C-ra hűtött felületre úgy, hogy az IBM betűit formálták meg Ma különleges anyagokkal (mint pl. a fullerén - C 60 ) és speciális eljárásokkal parányi motorokat, eszközöket és a jóslathoz kapcsolódóan miniatűr, 10-9 m nagyságrendű betűket is képesek vagyunk készíteni

STM Az STM mint nano szerszám 45

A PÁSZTÁZÓ ALAGÚT MIKROSZKÓP Scanning Tunnelig Microscope, STM 1980-as években kifejlesztett technika. Működési elv: ún. alagútáram, amely akkor folyik, ha egy hegyes tű legalább 1 nm távolságra megközelít egy elektromosan vezető felületet. A tű végigpásztázza a felületet, az STM elektronikája mindig úgy mozdítja el, hogy az alagútáram, (és így tulajdonképpen a felület és a tű távolsága) állandó maradjon. A felület pontos lekövetése rögzíthető és ábrázolható úgy, mint a felület domborzati képe

SCANNING TUNNELING MICROSCOPY A pásztázó alagút(áram)mikroszkóp (Scanning Tunneling Microscopy, STM) az a nyolcvanas években Gerd Binnig és Heinrich Rohrer által kifejlesztett tecnika, amely lehetővé teszi, hogy szilárd felületekről addig soha nem látott felbontással készítsünk képeket. Az STM működésének alapja egy úgynevezett alagútáram, amely akkor folyik, ha egy hegyes tű legalább 1 nanométer távolságra megközelít egy elektromosan vezető felületet. A hegyes tűt egy piezoelektromos rúd végére szereljük, így parányi elmozdulása elektronikusan vezérelhető. Mialatt végigpásztázza a felületet, az STM elektronikája mindig úgy mozdítja el, hogy az alagútáram, és így tulajdonképpen a felület és a tű távolsága állandó maradjon. 47

Scanning probe microscopes, developed in the 1980s, give us a new way to see at the nanoscale We can now see really small things, like atoms, and move them too This is about how big atoms are compared with the tip of the microscope 48

STM A hegyes tűt egy piezoelektromos rúd végére szereljük, így parányi elmozdulása elektronikusan vezérelhető. Mialatt végigpásztázza a felületet, az STM elektronikája mindig úgy mozdítja el, hogy az alagútáram, és így tulajdonképpen a felület és a tű távolsága állandó maradjon. 49

STM A mozgató rendszer piezokristályok segítségével van kialakítva. A detektáló rendszer a mérőrugó elmozdulását letapogató, lézer fény visszaverődést érzékelő elektronikából áll. A felszínhez közelítve a tűre először vonzó erő hat, ami taszítóvá válik - kellően közel kerülve a mintához. Ha ábrázoljuk az erő változását a távolság függvényében, akkor láthatjuk, hogy először a tű és a felület között fellépő erők vonzó erők, amelyek közelítve a mintához taszítóvá válnak. 50

STM Ahol az erőgörbe a tengelyt metszi, ott éri el a tű a felületet. Ha a rugó a felszín felett haladva a változó erők hatására elhajlik, a visszacsatoló elektronika úgy módosítja a piezokristály z irányú deformációját, hogy a rugó az eredeti állapotába visszatérjen. (A visszacsatoló elektronika gyorsasága felső határt szab a pásztázási frekvenciának.) Ezáltal felvehető a z irányú piezo-feszültség V z (x,y) függvénye, ami megfelel a felület topográfiájának, feltéve, hogy a tűre ható erő csak a tű és a felszín közötti távolságtól függ (az esetek nagy részében ez fennáll) 51

SCANNING TUNNELING MICROSCOPE 52

STM FELVÉTELEK Pásztázó alagút mikroszkóppal készített felvételek során a felület pontos lekövetése rögzíthető és ábrázolható úgy, mint a felület domborzati képe az egyes atomok felülete egymástól 53 megkülönböztethető, és láthatóvá tehető.

A NANOVILÁG FELÉ VIZUÁLIS OPTIKAI MIKROSZKÓP SZÓRÁS(RÖN TGEN, ELEKTRON, NEUTRON) KÖZELI TÉR MIKROSZKÓP AFM, STM 54

A NANOTECHNOLÓGIA DEFINÍCIÓJA A nanotechnológia funkcionális anyagok, eszközök és rendszerek előállítása az anyagok nanométeres skálán való kontrollja útján, valamint azon új (fizikai, kémiai, biológiai) jelenségek kihasználása amelyek ezen mérettartományban fellépnek. Ha azt kérdeznék, hogy a tudomány és technológia mely területétől várhatók a legnagyobb valószínűséggel a holnap áttörései, én a nanoméretek tudományára és technológiájára szavaznék. Neil Lane 55

A NANOTECHNOLÓGIA ALKALMAZÁSI TERÜLETEI Nanoelektronika (áramköri és összekötő elemek, adattárolás) Nanooptika Képernyők Szenzorika Kompozit anyagok, nanorészecskék Biomedicinális alkalmazások Energia és környezet Textiliák, stb. Űrkutatás és alkalmazásai 56

ÚT A NANONTECHNOLÓGIÁHOZ Szerkezeti méretek Méretcsökkenés, multidiszciplinaritás, integráció Fizika Elektronika TOP DOWN Biológia Sejtbiológia Kémia Molekuláris biológia Kvantum hatások Funkcionális molekula-tervezés Komplex vegyészet Elektrotechnika Mikroelektronika Anyagmérnökség Szupramolekuláris kémia Nanotechnológiai alkalmazások Elektronikus és fotonikai eszközök, érzékelők, biochipek Biológiai elvek, fizikai jelenségek és kémiai tulajdonságok integrált kiaknázása BOTTOM UP 57

MIÉRT MÁS A NANOMÉRETEK VILÁGA? 58

MŰKÖDÉSI ELVEK MIKRO- ÉS NANOSKÁLÁN Micro- and Nano-scale physics may behave differently in macro-scale world, e.g. Sticking effect, surface tension, quantum tunneling effect Surface effects are playing more important roles in the operational physics of micro- and nano-structures and devices Felületi és tömbben lévő atomok aránya 1 cm 3, 1 m 3 és 1 nm 3 kocka esetén (atomok távolsága ~ 0,25 nm): 1 cm 3 : (6x(4x10 7 ) 2 )/(4x10 7 ) 3 =1,5x10 7 1 m 3 : ~(6x4000 2 )/(4000) 3 =0,0015 1 nm 3 : (64-8)/64=0,875

A KIS MÉRETEK HATÁSA Felület m 2 F x 2 Térfogat m 3 V x 3 Súly N G V x 3 F/V 1/x x - hosszméret 60

A MÉRETCSÖKKENTÉS HATÁSAI A mikro-mechanikai eszközökben az arányos méretcsökkentés révén várható előnyök: a rezonancia frekvencia, az elérhető elektromos tér, a termikus válaszidő, a folyadék-mechanika (Reynolds szám levegőben ) vonatkozásában. 61

PÉLDÁK AZ ÁLLATVILÁGBÓL: A MÉRETEK HATÁSA A KONSTRUKCIÓRA 62

A MÉRETEK HATÁSA A SZÁRNYFREKVECIÁRA A TERMÉSZETBEN 63

A MÉRETEK HATÁSA A SZÁRNYFREKVECIÁRA A TERMÉSZETBEN Fizikai modell: f m -1/2 L -3/2 64

A KIS MÉRETEK KÖVETKEZMÉNYEI 1. A lineáris méretek csökkenésével a térfogat, és ezzel együtt a tömeg/súly is a harmadik hatvánnyal csökken. Emiatt pl. a finommechanikában, vagy akár a mikromechanikában az objektum vagy eszköz súlyából eredő erőhatásokra nem kell méretezni. 2. A lineáris méretek csökkentésével a felület négyzetesen, azaz a térfogathoz képest egy hatványkitevővel kisebb mértékben csökken. Tehát a kisebb objektum, eszköz vagy szerkezet viszonylag nagy felületű lesz. Ennek egyik következménye, hogy egy kisebb szerkezet relatíve nagyobb teljesítményekre képes, mivel a relatíve nagyobb felület miatt jobbak a hűtési viszonyok. A másik, még fontosabb következmény, hogy megnő, illetve dominánssá válnak a felületi hatások. 65

A KIS MÉRETEK KÖVETKEZMÉNYEI 3. A lineáris méretek csökkenésével a rendszer sajátfrekvenciája növekszik. Ez azt jelenti, hogy kisebb rendszer gyorsabb működésre képes. 4. A lineáris méretek csökkenésével a kapacitások (elektromos-, hő-) is csökkennek. Ennek következménye szintén a gyorsabb működés. 5. A lineáris méretek csökkenésével eddig figyelmen kívül hagyott fizikai törvények kerülnek előtérbe. Pl. felületi feszültség, vagy kvantummechanikai (méret-) hatások. 1. Milyen nanoszerkezeteket tudunk előállítani? 2. Milyen nanoszerkezetek léteznek a természetben? 66

SZÉN NANOCSÖVEK Az új technológiákkal bámulatos szerkezeteket, mint pl. szén nanocsöveket lehetett létrehozni. 100x erősebb mint az acél, és igen rugalmas. Pl. gépkocsi lökhárító anyagába integrálva megnöveli a szilárdságát és a rugalmasságát 67

C60 MOLEKULA (FULLERÉN) Rendkívüli szilárdság a kötésszerkezetéből és a futballlabda alakból kifolyólag. Lehetséges alkalmazás mint kapszula gyógyszeradagolásnál. Áthatol a sejtek falán. Kémiailag semleges (véráramban káros hatások nélkül mozoghat). 68

NANOSZERKEZETEK LÉTREHOZÁSA 69

GYÁRTÁSI MÓDOK Atomonként való összeszerelés. Atomok egyenkénti mozgatása és pozicionálása, STM-el illetve AFM-el. Felesleges anyagrészek (atomok) eltávolítása (mint pl. ahogy a szobrász vagy a vésnök dolgozik). Önszerveződésen alapuló technológia. Megfelelő körülmények létrehozása mellett végbemenő fizikai és kémiai folyamatokkal. A természet ezt alkalmazza. 70

71