Nanorakenteiden fysiikkaa

Transkriptio

1 Nanorakenteiden fysiikkaa K. Kokko Fysiikan laitos Turun yliopisto Luentokurssi: Modernin fysiikan alkeet

2 Kurssisuunnitelma Nanorakenteiden yleisesittely, teknologinen ja yhteiskunnallinen merkitys, tulevaisuuden odotuksia. Joidenkin nanorakenteiden fysikaalisista ilmiöistä ja ominaisuuksista. Hiilinanoputken sähkönjohtavuus. Esimerkkitapaus perusteista sovellukseen. Nanorakenteiden kvanttifysiikkaa, hiukkanen yksiulotteisessa laatikossa. Systeemin symmetrioiden hyödyntäminen. Reunaehdot, energiavyöt ja tilojen tiheys. Yhdestä useampaan ulottuvuuteen. Kiderakenne, käänteishila ja -avaruus ja grafeenin vyörakenne. Hiilinanoputken vyörakenne. Sähkönjohtavuuden riippuvuus putken kierteisyydestä. Tutustuminen laitoksella suoritettavaan nanorakenteiden tutkimukseen.

3 Yleistä Tekesin FinNano-nanoteknologiaohjelmassa tutkitaan, hyödynnetään ja kaupallistetaan nanomittakaavan rakenteita ja ilmiöitä. Ohjelmalle on määritelty kolme painopistealuetta: innovatiiviset nanorakenteiset materiaalit, nanosensorit ja aktuaattorit sekä nanoelektroniikan uudet ratkaisut. Suomen Akatemian Nanotiede-ohjelma käynnistyy v Nanoteknologia on tutkimusta ja teknologista kehitystä atomi-, molekyyli- ja makromolekyylitasoilla, missä etäisyydet yltävät yhdestä nanometristä sataan nanometriin.

4 Nanotieteen aihepiirejä nanomateriaalit nanoputket nanolaitteet nanorobotit nanoelektroniikka nanofotoniikka nanobioteknologia nanoilmaisimet nanolääketiede nanotyökalut nanoitserakentuvuus

5 Nanoteknologian käyttöalueita materiaalitiede fysikaaliset tieteet tekniset tieteet informaatioteknologia bioteknologia puolijohdeteollisuus kemian teollisuus ilmailu- ja avaruusteolisuus lääketeollisuus metrologia tekstiiliteollisuus autoteollisuus energiateollisuus molekyylitekniikka

6 Nanoteknologia Määritelmä: Ne tutkimuksen ja teknologian edistysaskeleet atomimolekyyli ja makromolekyylitasolla nanometrin mittakaavassa, jotka edesauttavat tämän mittakaavan ilmiöiden ja materiaalien perusteiden ymmärtämistä sekä luovat ja käyttävät rakenteita, laitteita ja systeemejä, joilla on pienestä koosta johtuen uusia ominaisuuksia ja toimintoja.

7 Historiaa Noin 400 ekr: Demokritos ja Leukippos esittävät atomiteorian: materia koostuu pienistä jakamattomista hiukkasista, jotka ovat jatkuvassa liikkeessä (atomos = jakamaton). Aristoteles (noin ekr) hylkää atomiteorian ja se joutuu unohduksiin vuosisadoiksi. Noin 1804: Dalton päättelee, että kaikilla alkuaineen atomeilla on sama massa ja koko, ja että alkuaineiden atomit yhdistyvät toisten alkuaineiden atomeihin tietyissä yksinkertaisissa suhteissa muodostaen yhdisteitä. 1911: Rutherford selittää atomin rakenteen. 1920: Kvanttimekaniikka selittää atomaarisen maailman ilmiöt.

8 Merkittäviä virstanpylväitä nanotiellä 1959: Feynman pitäää There s Plenty of room at the bottom puheensa : Hohenberg ja Kohn esittävät tiheysfunktionaaliteorian perustan - functional theory : Ensimmäinen molekyylielektroniikan laite - /articles.asp?articleid= electronics 1981: Tunnelimikroskooppi kehitettiin - tunneling microscope

9 1985: Fullereeni löydettiin : Atomivoimamikroskooppi kehitettiin - force microscope 1987: Yksielektronitransistori kehitettiin - and d/electrical metrology /single electron tunnelling effect etm.shtml 1991: Nanoputki löydettiin maruyama/agallery/agallery.html

10 Monikerrosrakenteet Monet mielenkiintoiset kerrosrakenteet ovat yksiulotteisia nanorakenteita. Näitä voidaan valmistaa esimerkiksi atomisuihkuja käyttämällä (molecular beam epitaxy (MBE)). Kontrolloiduissa olosuhteissa materiaali kasvaa atomikerroksittain. Kerrosrakenteissa on havaittu monia uusia ilmiöitä: kvantti Hall -ilmiö (QHE) ja fractional-qhe kerrospuolijohteissa sekä jättiläismäinen magnetoresistanssi (GMR) magneettisissa kerrosrakenteissa. Monikerrosrakenteisiin perustuvia laitteita: kvanttikaivopuolijohdelaser, bipolaarinen liitostransistori, magnetoresistiivinen anturi...

11 GMR tekniikkan perustuva magneettimuistin lukupää /magnetic.htm tr

12 Nanolangat Nano- ja kvanttilaitteiden yhdistämiseen tarvitaan hyvin ohuita johtimia. Magneettisia nanolankoja voidaan mahdollisesti käyttää tiedontallennustiheyden nostamiseksi. Tietyissä olosuhteissa nanolangan elektronien ennustetaan siirtyvän Luttingerin nestefaasiin Fermikaasun sijasta. Nanolankojen valmistusmenetelmiä: Litografia, höyrystäminen kidetasojen välisille portaille, STM, nanoputkien täyttäminen metallilla. himpsel/wires.html

13 Klusterifysiikkaa Kappaleen ainemäärän pienentyessä tietyn rajan yli alkavat myös ko. aineen ominaisuudet muuttua. Päätepisteenä ovat vastaavat atomistiset ominaisuudet. Atomin ja bulk-aineen välimaastossa ovat ns. klusterit, jotka ovat atomiryppäitä koostuen kahdesta atomista aina kymmenien tuhansien atomien ryppäisiin. Klusterien koko vaihtelee 0,1 10 nm ja ne ovat näin ollen esimerkkejä nanorakenteista. Klusterin kokoa muuttamalla voidaan ko. aineen ominaisuuksia säätää tietyissä rajoissa. Erityisesti aineen katalyyttiset, optiset, sähköiset ja magneettiset ominaisuudet riippuvat klusterin koosta. Klusterit muodostavat ikäänkuin sillan atomien ja bulk-aineen välille.

14 Magneettisia metalliklustereita on käytetty hyväksi tiedon tallennuksessa ja lääketieteellisessä kuvannuksessa. Klustereiden dynamiikkaa pystytään simuloimaan laskennallisesti. Esimerkiksi kupariklusterit Cu(100) pinnalla: pts/cu ene.html#cu5 process Laskennalisesti on osoitettu, että nanomittakaavan metalliklustereit ovat poikkeuksellisen aktiivisia hapettumisen katalysoinnissa. Myös varsin erikoisenmuotoisia klustereita on kasvatettu. S. Sun, C.B. Murray, D. Weller, L. Folks, and A. Moser, Science 287, 1989 (2000). Small Clusters Hit the Big Time, Series of articles, Science 271, 920 (1996).

15 Hiilinanoputkien ominaisuuksia Nanoputkien ominaisuudet määräytyvät suurelta osin niiden melkein yksiulotteisesta geometriasta. Kemiallinen reaktiivisuus määräytyy putken seinämän kaarevuudesta. Ovat johteita tai puolijohteita riippuen heksagonalisen yksikön ja nanoputken välisestä kulmaasta. Optinen aktiivisuus laskee putken säteen kasvaessa. On hyvin kova putken akselin suunnassa ja hyvin taipuisa akselia vastaan kohtisuorassa suunnassa

16 Hiilinanoputkien mahdollisia sovelluksia Energian varastointi Vetyvarastona, Li-paristojen kapasiteetin lisääjinä, superkondensaattoreina Molekyylielektroniikassa Elektroniemittoreina, transistoreina Nanoilmaisimina Komposiittimateriaaleissa Kemialisisa nanoreaktoreissa

17 Tulevaisuuden haasteita elektroniikkapiirien valmistukselle Yleistä Tähänastinen informaatiovallankumous on perustunut litografisesti valmistetuille piipohjaisille CMOS transistoreille. Komponenttikoon edelleen pienentäminen litografiatekniikalla johtaa sekä teknisiin että taloudellisiin ongelmiin. Kemiallisesti ohjautuva elektroninen nanoteknologia (chemically assembled electronic nanotechnology (CAEN)) on eräs vaihtoehto CMOS tekniikalle pyrittäessä huomattavasti nykyistä pienempään komponenttikokoon. Kolmenapaiset komponentit, kuten transistorit, ovat epäkäytännöllisiä nanomittakaavassa.

18 Piiteknologia Piitransistorin (MOS) etuja: vahvistus, kohinan pienuus, valmistusprosessin vaihtelun sietokyky, tulo- ja lähtösignaalin erillisyys, erinomainen ohjauskyky (yksi ohjaa useita), signaalin kääntökyky, mukautuvuus erilaisiin käyttöympäristöihin, käyttöön ja valmistukseen sijoitetut suuret tutkimukselliset ja taloudelliset panostukset, valmistuksen edullisuus. Piitransistorin haittoja: viivanleveyden pienentäminen litografiassa edellyttää lyhyempiaallonpituisen valon (elektronisuihkun) käyttöä, mikä nostaa valmistuskustannukset pilviin, komponenttikoon pienetessä jopa muutaman atomin mittakaavaa olevat erot valmistusprosesseissa voivat johtaa vikoihin, piirin jokaisen komponentin pitää olla täysin luotettava, piirejä ei voida testata, säätää tai korjata valmistuksen jälkeen.

19 CAEN-teknologia CAEN menetelmässä käytetään kemiallisen synteesin tekniikkaa valmistettaessa molekyylikoon komponentteja kuten vastuksia, transistoreja, diodeja, resonanssitunnelidiodeja (RTD) ja uudelleen kofiguroitavia kytkimiä. Uudelleenkonfiguroitavuus on CAEN menetelmän olennainen piirre. Se edellyttää, että piiri koostuu suuresta määrästä samanlaisia ohjelmoitavia loogisia komponentteja. Molekyylejä, jotka toimivat uudelleenkonfiguroitavina kytkiminä sarjassa diodien kanssa on jo löydetty.

20 CAEN menetelmän etuja: suunnattomia määriä identtisiä komponetteja voidaan valmistaa halvalla, komponentit ovat kooltaan nanometrin luokkaa ja niiden napojen väliset virta- ja jännitetasot määräytyvät kvanttimekaniikan mukaisesti, virrankulutus on pieni joten ne kuluttavat energiaa häviävän vähän, komponentit voidaan koota piireiksi itseohjautuvasti ja itse suuntautuvasti. CAEN menetelmän haittoja: itserakentuvuus on epätarkka termodynaaminen prosessi, joten komponentit eivät ole tarkasti määrätyillä paikoilla, tämän takia piirien on oltava testattavia, säädettäviä, ja mahdollisesti korjattavia valmistuksen jälkeen, jokin määrä piirivirheitä on sallittava, itserakentuvuus voi tuottaa vain yksinkertaisia piirirakenteita, useamman kuin kahden komponentin liittäminen toisiinsa on erittäin hankalaa, samoin kuin kolminapaisen komponentin rakentaminen.

21 Esimerkkikytkentöjä Peruskomponentteina käytetään nanolankoja, jotka on päällystetty sopivilla molekyyleillä siten, että lankojen koskettaessa toisiaan liitoskohta voi toimia diodina. Näistä langoista muodostetaan kaksiulotteinen verkko. Diodit voidaan asettaa joko on tai off -tilaan. On-tilassa liitoskohta toimiii normaalina diodina ja off-tilassa litoskohdan resistanssi on ääretön.