SINKRONI STROJEVI

1
MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNICKE PROIZVODE
Nanoznanost i nanotehnologija - novi materijali
Big Events Happen in Small Worlds
Uvod nanoznanost i nanotehnologija jucer, danas
sutra Razvoj nanoznanosti i nanotehnologije Nano
tržište Kako vidjeti i proizvesti
nanostrukture Tehnike proizvodnje
nanostruktura Podjela nanostruktura Primjeri
ugljikovih nanomaterijala, primjene
Zavod za primijenjenu fiziku
Ak. god. 2011/2012
Zagreb, 10.11.2012.
2
Nanoznanost - jucer, danas, sutra
INTERDISCIPLINARNOST istraživanja u FIZICI,
KEMIJI, BIOLOGIJI, INŽENJERSTVU, MEDICINI itd..
Materija na nanoskali NEMA ista svojstva kao
materija na makroskali
MIJENJA SVOJSTVA (elektricna,
mehanicka, magnetska, kemijska, opticka...)
OVISNO O DIMENZIJAMA
3
Nanoznanost i nanotehnologija- jucer, danas, sutra
NANO (grc.) PATULJAK
Proucava materiju, objekte na nano skali
(1-100 nm) 1nm 10-9 m
Rezultirajuca tehnologijaNANOTEHNOLOGIJA
Nanotehnologija jest sposobnost promatranja,
mjerenja, manipuliranja i proizvodnje na
nanometarskoj skali.

• rijec nanotehnologija 1974. Norio Taniguchi,
  predstavio svoju viziju manipulacije tvari za
  poluvodicku
• industriju i to atom-po-atom ili
• molekula-po-molekula

4
Nanoznanost - jucer, danas, sutra

• prije 25. stoljeca Demokrit- atom (atomos
  nedjeljiv)
• 1738. g Daniel Bernouli - "Atomska teorija
  svemira"
• kraj 19. st. proucavanje atoma- novi svemir
  skriven u njegovom najsitnijem dijelu

• 1959. Richard P. Feynman (There's Plenty of Room
  at the Bottom) - kreacija materije

5
Nanoznanost - jucer, danas, sutra
When Neil Armstrong stepped onto the moon, he
called it a small step for man and a giant leap
for mankind. Nano may represent another giant
leap for mankind, but with a step so small that
it makes Neil Armstrong look the size of a solar
system.

• nanotehnologija "Bila ono dobro ili loše, najvece
  znanstveno otkrice u povijesti tek se treba
  dogoditi?" - K. Eric Drexler
• 1992. godine predstavio svoje ideje pred
  americkim kongresom nakon tog predstavljanja
  našlo se dovoljno novca da zapocne utrka, koja je
  na koncu omogucila da novo tisucljece docekamo u
  društvu nano procesora i kvantnih racunala

6
                  
Nanoznanost - jucer, danas, sutra
Rimljani, 4.st LYCURGUS cup
Prvi poznati nano objekti ZLATO!
Crveno u transmitiranoj isvjetlosti (izvor
znutra) Zeleno u
reflektiranoj (izvor izvana)
Koloidalno zlato ugradeno u staklo i staklene
vaze
7
Nanoznanost - jucer, danas, sutra
1856. M. FARADAY- colloidal gold divided
metals (cuva se i
danas u Royal Institution) - na temelju rada
alkemicara i osnivaca moderne medicine
PARACELZIJUSA za lijecenje, cišcenje tijela
poboljšanje memorije,
koncentracije
Koloidalno zlato
Nanostruktura zlata (fluorescencija)
nanožice
8
Razvoj Nanoznanosti i nanotehnologije - STM
1981. Binning i Rohler (IBM) dobili Nobelovu iz
fizike (1986) za otkrice Pretražnog Tunel
mikroskopa (STM) - otkrice fulerena Kroto,
Smalle i Curl 1996 Nobelova nagrada 19 god
kasnije iz kemije
AFM
STM atom bakra
STM

• nanotehnologija - danas ?
• vec cini postojece proizvode lakšim, snažnijim,
  bržim, manjim, dugotrajnijim

9
Nano tržište

• 2005. sastavni dio proizvedenih dobara u iznosu
  od 30 milijardi, i predvida se da ce ovaj iznos
  eksponencijalno rasti na više od 350 bilijuna
  - 2015.

• više od 1,000 proizvoda na tržištu koji u sebi
  ukljucuju nanotehnologiju za svakodnevnu uporabu
  i više od 400 proizvoda koji ukljucuju nano
  instrumente i testne naprave.

EU-FP7 2008-2012 2,5 milijardi eur, U svijetu
godišnje 14 milijardi
10
Nanotehnologija u svakodnevnom životu
nanotechnology neverwet fabrics
11
Nanoznanost - resursi potrebni za istraživanja
Basic sience and engineering degrees are
absolutely essential!
12
Primjer izazova za nanotehnologiju

• razvoj poluvodicke industrije, ogranicenja
  Mooreova zakona

13
Nano buducnost
http//www.youtube.com/watch?vIX-gTobCJHs
http//www.youtube.com/watch?vGKiRDVC97hkfeature
relmfu
14
Nano buducnost

• svemirska dizala

• lab-on-a-chip

15
Tehnike proizvodnje nanostruktura
16
Kako vidjeti i proizvesti nanostrukture?
http//www.youtube.com/watch?vrCC6l9nmj3Afeature
relmfu part4

• alati za manipulaciju AFM, STM, TEM, SEM

• Fotolitografija (DUV), electron beam lit.
  (Oksidacija,Maske, Implantacija,
  Jetkanje,Metalizacija, Lift-off)
• Focused Ion Beam
• MBE, vakuumske depozicije, pulsna laserska
  depozicija
• Kemijske metode

17
STM
Gerd Binning i Heine Rohrer (IBM, Švicarska,
1979.). Nobelova nagrada za fiziku 1986.
Xe na površini (100)Ni 1989.

• Ocekivali rezoluciju od 45 Å!!!
• Problem vibracije.

18
AFM
19
TEM SEM
20
Nanostrukture-opca podjela

• Prema broju dimenzija, možemo ih podijeliti na
• tridimenzionalne stukture (3D) u ovim
  strukturama nema kvantizacije kretanja cestice,
  cestica je slobodna,
• dvodimenzionalne stukture (2D) kvantne jame,
  kvantizacija se dogada samo u jednom smjeru dok
  se cestica može slobodno gibati u preostala dva
  smjera,
• jednodimenzionalne stukture (1D) kvantne žice,
  dolazi do zatocenja cestice u dvije dimenzije što
  rezultira slobodnim kretanjem u samo jednom
  smjeru,
• bezdimenzionalne strukture (0D) kvantne tocke,
  dolazi do kvantizacije u sve tri raspoložive
  dimenzije.

21
Kvantne tocke
Nanostrukture
A pyramidal InAs Quantum dot that is 27 atomic
monolayers wide at the base and 15 atomic
monolayers tall. This corresponds to 6.5 cubic
unit cells width and 3.5 cubic unit cells height,
which in turns corresponds to about 3.9 width and
2.1nm height. Typically these quantum dots are
about 20nm wide and 5nm tall and encapsulated by
GaAs. This small dot provides insight into the
crystal symmetry of z zincblende crystal viewed
from different angles and a pyramidal quantum
dot. The semiconductor InAs can be grown
as a crystal on top of a GaAs substrate. Since
the natural InAs lattice constant is larger than
the one of GaAs the material can clump up to form
nanoscale, perfect crystal structures that can
take on pyramidal or dome shapes. Typical sizes
of such quantum dots are 20nm in diameter and 5nm
in height. The InAs material is typically capped
/ overgrown with GaAs. The central structure can
confine additional electrons and form an
artificial atom. Such artificial atoms can have
optical properties like natural atoms like the
ability to absorb and emit light. The frequency
or wavelength of this optical activity can be
designed by quantum dot size, shape and material
composition.nanoHUB http//www.youtube.com/watc
h?vs3H0_8TLs-Afeatureyoutu.be
CdSe
22
Nanostrukture kvantne jame
If one makes a heterostructure with sufficiently
thin layers, quantum interference effects begin
to appear prominently in the motion of the
electrons. The simplest structure in which these
may be observed is a quantum well, which simply
consists of a thin layer of a narrower-gap
semiconductor between thicker layers of a
wider-gap material. The band profile then shows a
rectangular well,'' as illustrated in Fig.
   Figure Energy-band profile of a
structure containing three quantum wells, showing
the confined states in each well. The structure
consists of GaAs wells of thickness 11, 8, and 5
nm in Al Ga As barrier layers. The gaps in the
lines indicating the confined state energies show
the locations of nodes of the corresponding
wavefunctions. The electron wavefunctions in
such a well consist of a series of standing
waves, such as might be found in a resonant
cavity in acoustic, optical or microwave
technologies. The energy separation between these
stationary states is enhanced by the small
effective mass of electrons in the conduction
bands of direct-gap semiconductors
23
Nanostrukture kvantne žice
Scanning electron micrograph of FeCo nanowires
http//www.youtube.com/watch?vWRLR1YPH69ofeature
relmfu
24
Primjer nanomaterijala sa ugljikom

• alotropske modifikacije ugljika grafit i dijamant

grafit
dijamant
25
Primjer nanomaterijala sa ugljikom

• alotropske modifikacije ugljika fulereni,
  OLC(onion like carbon)

fulereni

• 1985. na sveucilištu Rice eksperimenti sa
  laserskom spektroskopijom
• umjetno stvoreni materijali, vlacne cvrstoce oko
  20 puta vece od legura celika, gustocu oko 1/2
  one od aluminija

OLC(onion like carbon)
26
Primjer nanomaterijala - ugljikove nanocijevi

• dva glavna tipa nanocijevi jednostjencane
  nanocijevi(single-walled nanotubes) i
  višestjencane nanocijevi(multiwalled nanotubes)

• 1991. Sumio Iijima, NEC Corporation Japan

• grafen kao gradivni element

27
Primjer nanomaterijala - ugljikove nanocijevi

• jednostjencane ugljikove nanocijevi(single-walled
  carbon nanotubes)
• plohe grafena zamotane u oblik šupljeg cilindra

Nanotechnology - Carbon Nanotube Electronics
MISSION POSSIBLE Graphene
28
Primjer nanomaterijala - ugljikove nanocijevi

• višestjencane ugljikove nanocijevi (multiwalled
  carbon nanotubes)

• opcenito, nanocijevi su

• sedam puta lakše od celika, ali jedno 500 puta
  cvršce
• elektroni u nanocijevima mogu putovati mnogo brže
  nego u metalima kao što je bakar
• elektricki se mogu ponašati kao metalni vodici
  ili poluvodici
• posjeduju dvostruko vecu toplinsku vodljivost od
  dijamanta

29
Primjene ugljikovih nanocijeviu RF podrucju

• nanomehanicki radio odašiljac

tipicni radio odašiljac
nanocijevni radio odašiljac
30
Primjene ugljikovih nanocijevi

• radio prijemnik sa ugljikovom nanocijevi

• uredaj ciji se rad temelji na bežicnom prijenosu
  signala

tipicni radio prijemnik
ugljikova nanocijev prikljucena na elektrodu u
blizini protuelektrode
31
Primjene ugljikovih nanocijevi

• radio prijemnik sa ugljikovom nanocijevi kao
  demodulatorom primjer minijaturizacije

AM demodulator temeljen na ugljikovoj nanocijevi
32
Link za predavanje o grafenu https//www.dropbox.
com/s/5csln5vplgvs739/Poljak20ETNZM202012.ppt