Nanotechnológia építıkövei: Nanocsövek és nanovezetékek Molnár László Milán okl. mérnök-fizikus adjunktus Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikai Technológia Tanszék Mi az a nano? Nanosz (νανοσ): görögül törpe 1960. óta SI elıtag: 10-9 Nano elıtagú mértékegységek: Nanométer Emberi hajszál átmérıje kb. 50000 nm 10 atom átmérıje összesen kb. 1 nm Nanoszekundum A fény 1 ns alatt 30 cm-t tesz meg
Mérettartomány a makrotól a nanoig Mi az a nano? Általában nanostruktúra: Legalább egy irányban 100 nm alatti méret Példák: 2D rétegrendszerek 1D nanoszálak, nanocsövek 0D kvantum pontok
Fizika + Biológia + Kémia = Nanotudomány A természettudományok határai elmosódnak a nanométeres mérettartományban Moore törvénye
Történeti áttekintés 1959 - Richard P. Feynman elıször használja a nanotechnológia kifejezést There's Plenty of Room at the Bottom 1981 - STM feltalálása 1985 - C 60 felfedezése 1986 - AFM feltalálása 1991 - Szén nanocsövek felfedezése A XXI. század és a nanoipar A nanotechnológiára fordított állami kiadások trendje exponenciális. Amerikai és Japán túlsúly mellett megjelenik Kína.
Kinek kell a nanotechnológia? Egészségügy DNS manipuláció Szelektív gyógyszerek Elektronika Kvantum vezetékek Egyelektron-számítógép Hadászat Nanokompozit alapú anyagok (kevlar helyett) Szenzorika Ezen kívül mindenkinek A nano anyagok (példák) Szén struktúrák (fullerének, nanocsövek) Fémek Elemi félvezetık Vegyületfélvezetık Gyakorlatilag bármibıl lehet nanoanyag!
Szén nanocsövek különleges tulajdonságai - 1 Mechanikai: Young-modulus: 1 TPa Szakítószilárdság: > 50 GPa Maximális hosszirányú deformáció: >10% Hosszirányú terhelhetıség / tömeg arány rendkívül nagy Termikus: Jó hıvezetı (tengely mentén): (vö. vörösréz: 400 W/m K) 5000 W/m K Szén nanocsövek különleges tulajdonságai - 2 Szerkezeti / geometriai: Létezik egyfalú (SWNT) és többfalú (MWNT) Az egyfalú nanocsı szerkezetének jellemzıje: KIRALITÁS vektor Nagy fajlagos felület Elektromos: Sávszerkezet függ a kiralitás vektortól: Lehet félvezetı és fémes viselkedéső
Szén nanocsövek elıállítása Szénelektródás ív Egyszerő, olcsó eljárás Rossz kihozatal CVD veszélyes eljárás Jó kihozatal, jó minıségő SWNT termék Lézerabláció Szén nanocsövek elıállítása Feltételezett alapelvek Nem tisztázott mechanizmus Az egyes növesztési módok (CVD, elektromos íves ) fizikai alapelve ugyanaz, a különbség a C gáztérbe juttatásában van Kétféle növekedés: Tip Root
Szén nanocsövek elıállítása - Elektromos ívvel Szén nanocsövek elıállítása - CVD
Szén nanocsövek elıállítása - Lézerabláció Szén nanocsövek alkalmazásai 1.Szenzorok 2.Szerkezeti anyagok 3.Elektronika
Nyúlásmérés - Deformáció hatása a sávszerkezetre ( ) = R S + 1+ exp 2 T 8e kt R σ E 1 h gap E.D. Minot et al. (Cornell): Phys. Rev. Letters, 90 DOI156401 Nyúlásmérés - Hitelesítés I. Kang et al. (Cincinnati): Composites Part B 1 (2006)
Nyúlásmérés - Összehasonlítás Az érzékenységi faktor (gauge factor): Példák: Fémfólia alapú nyúlásmérı bélyeg : Szilícium alapú nyomásérzékelık: R GF = R G ε GF 2 GF 200 SWNT alapú nyomásmérı: GF>200, jelenleg 210 VAN létjogosultsága a NT alapú deformáció és nyomásmérésnek Christoph Stampfer et al. (ETH Zürich): Nano letters, 6, 233 (2006) Nyomásmérı Christoph Stampfer et al. (ETH Zürich): Nano letters, 6, 233 (2006)
Nyomásmérı Gyártási lépések Christoph Stampfer et al. (ETH Zürich): Nano letters, 6, 233 (2006) Nyomásmérı Hitelesítés p ( w ) 0 = ( 7 ν ) 3( 1 ν ) E t 4 0 r w 3 0 + 4tσ 0 2 0 r w 0 σ 0 : kezdeti feszültség E: Young-modulus ν: Poisson-arány t: membránvastagság r 0 : a kör sugara
Gázszenzorok Elıállítás Interdigitális struktúra MWNT felvitele: Etanolos szuszpenzióból A csövek a magasabb térerısségek irányába igyekeznek A struktúra réseiben csapdába esnek J. Suehiro et al. (Fukuoka): J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) pp109-114 Gázszenzorok Az aktív régió Etanolos kezelés elıtt
Gázszenzorok Az aktív régió Etanolos kezelés után Gázszenzorok - Karakterisztika Eredmény: Jól reprodukálható karakterisztika Alacsony koncentrációtartományban is Detektálás alsó határa: ppm Válaszidı 1perc
A szén nanocsı, mint szerkezeti anyag - Kompozitok Kompozitok: Nanocsöveket foglalunk a (polimer, fém, kerámia ) mátrixba Eredmény: a csövek irányában javulnak a mechanikai tulajdonságok Szakítószilárdság/tömeg: 100x Al 10x szénszálak Illusztráció: nanocsı kompozit kerékpárváz; tömeg: <1 kg (Easton Carbon) Bicikliváz kompozit Szénszálas erısítéső anyagból indulnak ki, ami eleve egy kompozit: Mátrix: mőgyanta Ehhez adnak hozzá szén nanocsöveket, ezzel tovább erısítve a gyanta mátrixot.
Nanocsövek és nanovezetékek az elektronikában Nanocsövekkel vagy nanovezetékekkel megvalósítható áramköri elemek: Vezeték Félvezetı eszközök: dióda, tranzisztor, FET Fényemittáló dióda (akár UV-lézer is, GaN) Fı elınyök: Nagy mobilitás Kis méret Hıelvezetés nem okoz problémát Nanocsövek az elektronikában - Vezetékek Kihasználhatjuk a jó vezetıképességet, kis méretet: 10 atom (d=1,5nm) vastag SWNT vezeték Pt elektródák között, stabil elektromos kötést van der Waals erı biztosítja S.J. Tans et al, Delft University of Technology
Nanovezetékek az elektronikában Dióda ill. tranzisztor Szén nanocsı az S és D elektróda közé Fotovoltaikus hatást mutat A nanocsı szerkezetével változtatható gap J. U. Lee et al. (GE General Res. Center): APL 87, 073101 (2005) Nanovezetékek az elektronikában Dióda ill. tranzisztor
Nanovezetékek az elektronikában Fotodióda Nanovezetékek az elektronikában LED/LD
Tudományos-fantasztikus? A nanocsövek és az emberiség jövıje NASA őrlift projekt Drasztikus csökkentené az őrkutatás költségeit Jelenleg ismert anyagok közül CSAK a szén nanocsı lenne alkalmas
Elektronika a XXI. század derekán A közeli és távoli jövı hardvere Kijelzık új generációja FED (field-emission diode) Fényemittáló nanocsövek vagy nanovezetékek Az atom helyzete hordozza a bit információt (Dopolt fullerének)
A közeli és távoli jövı hardvere Szén nanocsövek kivételes tulajdonságai által alkalmasak nemfelejtı memóriának!