Nanorakenteiden fysiikkaa

Samankaltaiset tiedostot
Atomimallit. Tapio Hansson

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

ATOMIHILAT. Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti.

Atomimallit. Tapio Hansson

2. esitelmä Mitä nanoteknologia on?

Stanislav Rusak CASIMIRIN ILMIÖ

Nanolla paremmaksi lisäarvoa tuotteisiin nanoteknologialla

Kuinka selität NANOTEKNIIKKA?

Puhtaat aineet ja seokset

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

Nanoteknologian ja nanomateriaalien käyttö rakentamisessa

Nanomateriaalien mahdollisuudet ja riskit Näkökohtia, muutoksia vuoden 2008 jälkeen?

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

Nanotieteestä nanoteknologiaan

Nanoteknologian tulevaisuuden näkymistä. Erja Turunen Vice President, Applied Materials

KVANTTITELEPORTAATIO. Janne Tapiovaara. Rauman Lyseon lukio

Nanoteknologiat Suomessa: hyödyt ja turvallisuusnäkökulma

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

Teoreettisen fysiikan esittely

Ilmiö 7-9 Kemia OPS 2016

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

PUOLIJOHTEET tyhjennysalue

Nanomateriaalit jätteissä. Hanna-Kaisa Koponen Teknologiakeskus KETEK Oy

Energiatehokkuutta parantavien materiaalien tutkimus. Antti Karttunen Nuorten Akatemiaklubi

Johdantoa/Kertausta. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Fysikaalisten tieteiden esittely puolijohdesuperhiloista

ModerniOptiikka. InFotonics Center Joensuu

LÄMPÖTILAN MITTAUS VASTUSANTUREILLA

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

arvioinnin kohde

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

782630S Pintakemia I, 3 op

Elektroniikka. Mitä sähkö on. Käsitteistöä

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Alikuoret eli orbitaalit

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Nanoturvallisuus ja Työterveyslaitoksen Nanoturvallisuuskeskuksen toiminta Kai Savolainen, Roundtable-tilaisuus,

ELEKTRONISET TOIMINNOT

RTEK-2000 Statiikan perusteet. 1. välikoe ke LUENTOSALEISSA K1705 klo 11:00-14:00 sekä S4 klo 11:15-14:15 S4 on sähkötalossa

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Aineopintojen laboratoriotyöt I. Ominaiskäyrät

Nanoteknologia aurinkokennoissa

Vastuullinen nanoteknologia rakentamassa hyvinvointia

FY6 - Soveltavat tehtävät

Virukset Materiaalitieteiden Rakennusaineina Suomalainen Tiedeakatemia

PYP I / TEEMA 8 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

Integrointialgoritmit molekyylidynamiikassa

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

KAAPELITESTERI / PAIKANNIN TRIFITEK TR-383 PIKAKÄYTTÖOHJE V1.0

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Oulun yliopisto. Luonnontieteellinen koulutusala. Fysiikan tutkinto-ohjelma. Fysiikka, filosofian maisteri, 120 op. 1 of


Kvanttimekaniikan perusteet

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

B sivu 1(6) AMMATTIKORKEAKOULUJEN TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN VALINTAKOE

TEHTÄVÄT KYTKENTÄKAAVIO

TIEP114 Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuuri, 3 op. FT Ari Viinikainen

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

CRT NÄYTÖN VAAKAPOIKKEUTUS- ASTEEN PERIAATE

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

PYP I / TEEMA 4 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Sähkötekiikka muistiinpanot

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

1. (*) Luku 90 voidaan kirjoittaa peräkkäisen luonnollisen luvun avulla esimerkiksi

KEMIA 7.LUOKKA. Laajaalainen. liittyvät sisältöalueet. osaaminen. Merkitys, arvot ja asenteet

7. Resistanssi ja Ohmin laki

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Fy06 Koe ratkaisut Kuopion Lyseon lukio (KK) 5/13

Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet Kuntakohtainen (2016)

Mittayksikköjärjestelmän fysikaaliset perusteet, osa II b, sähkösuureet. 1. Jännite ja Josephson-ilmiö 4. Sähkösuureiden yksiköt SI-järjestelmässä

SMG-4450 Aurinkosähkö

2. Pystyasennossa olevaa jousta kuormitettiin erimassaisilla kappaleilla (kuva), jolloin saatiin taulukon mukaiset tulokset.

Ex E e x l e Co C m o po p si o t si es e Re R i e nf n or o cin ci g n g Yo Y u o r u Bu B si u n si e n ss e Toukokuu 2014

Isomeria. Alkupala: Tarkastellaan alla olevia orgaanisia molekyylipareja. Mitä eroa, mitä samaa havaitset?

Tieteen popularisointi Kvanttipiirit

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Pohjalla Pon tilaa 50 첸 Tekniikan Maailma 14/2003 Tulostetta ei saa käyttää mainos- ja myynninedistämistarkoituksiin.

ELEC-C3220 KVANTTI-ILMIÖT

DEE Sähkötekniikan perusteet

Transkriptio:

Nanorakenteiden fysiikkaa K. Kokko Fysiikan laitos Turun yliopisto Luentokurssi: Modernin fysiikan alkeet 10.1.2006

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.

Yleistä Tekesin FinNano-nanoteknologiaohjelmassa 2005-2010 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. 2006. Nanoteknologia on tutkimusta ja teknologista kehitystä atomi-, molekyyli- ja makromolekyylitasoilla, missä etäisyydet yltävät yhdestä nanometristä sataan nanometriin.

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

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

Nanoteknologia Määritelmä: Ne tutkimuksen ja teknologian edistysaskeleet atomimolekyyli ja makromolekyylitasolla 1 100 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.

Historiaa Noin 400 ekr: Demokritos ja Leukippos esittävät atomiteorian: materia koostuu pienistä jakamattomista hiukkasista, jotka ovat jatkuvassa liikkeessä (atomos = jakamaton). Aristoteles (noin 384 322 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.

Merkittäviä virstanpylväitä nanotiellä 1959: Feynman pitäää There s Plenty of room at the bottom puheensa - http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html - http://almaz.com/nobel/physics/1965c.html 1964: Hohenberg ja Kohn esittävät tiheysfunktionaaliteorian perustan - http://en.wikipedia.org/wiki/density functional theory - http://almaz.com/nobel/chemistry/1998a.html 1974: Ensimmäinen molekyylielektroniikan laite - http://www.industryweek.com/currentarticles/asp /articles.asp?articleid=1410 - http://en.wikipedia.org/wiki/molecular electronics 1981: Tunnelimikroskooppi kehitettiin - http://en.wikipedia.org/wiki/scanning tunneling microscope - http://almaz.com/nobel/chemistry/1986b.html - http://almaz.com/nobel/chemistry/1986c.html

1985: Fullereeni löydettiin - http://en.wikipedia.org/wiki/fullerene - http://almaz.com/nobel/chemistry/1996a.html - http://almaz.com/nobel/chemistry/1996b.html - http://almaz.com/nobel/chemistry/1996c.html 1986: Atomivoimamikroskooppi kehitettiin - http://en.wikipedia.org/wiki/atomic force microscope 1987: Yksielektronitransistori kehitettiin - http://www.lne.fr/en/r and d/electrical metrology /single electron tunnelling effect etm.shtml 1991: Nanoputki löydettiin - http://en.wikipedia.org/wiki/nanotube - http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/ntsite/nanopage.html - http://www.photon.t.utokyo.ac.jp/ maruyama/agallery/agallery.html

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...

GMR tekniikkan perustuva magneettimuistin lukupää http://www.mint.ua.edu/reviews/spring2002/butlergmr.pdf http://www.research.ibm.com/research/gmr.html http://www.ornl.gov/info/ornlreview/v34 2 01/magnetic.htm http://physics.nist.gov/divisions/div841/gp3/projects/theory/theory tr

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. http://uw.physics.wisc.edu/ himpsel/wires.html

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.

Magneettisia metalliklustereita on käytetty hyväksi tiedon tallennuksessa ja lääketieteellisessä kuvannuksessa. Klustereiden dynamiikkaa pystytään simuloimaan laskennallisesti. Esimerkiksi kupariklusterit Cu(100) pinnalla: http://www.fyslab.hut.fi/ 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).

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

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

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.

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.

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.

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.

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.