Elektrotechnický ústav SAV Dúbravská 9, 84104 Bratislava Nanotechnológie prázdne heslo alebo svetlá budúcnosť? V. Cambel
Čo sú nanotechnológie? technológie pracujúce s objektmi veľkosti 1 100 nm (vlas d = 100 µm) R. Feynman, 1965: There is plenty room at the bottom práca na úrovni atómov, ale nutná experimentálna technika 1981 STM, Binning a Rӧhrer, IBM Zürich 1986 Nobelova cena Typy nanotechnológii molekulárna (bio) nanomateriálov nanoelektroniky Mikroskopov pracujúcich s rozlíšením < nm
Princíp skenovacej sondovej mikroskopie (SPM) Prečo až v r. 1981 presné rýchle ADC/DAC spracovanie signálu piezokryštály - x, y, z posuvu hrotu - 0.01 nm 100 μm
Skenovací sondový mikroskop NTEGRA
SPM povrch zobrazuje charakterizuje mení a tvaruje
SPM v biológii a ďalšie možnosti Helicobacter pylori Sledovanie časového vývoja životných procesov chemických reakcií ostatných dynamických dejov
Lokálna anodická oxidácia AFM tip - + voda oxid AlGaAs GaAs - GaAs Zjednodušený model LAO 1. Aplikuj napätie, E>1V/nm 2. Kondenzácia vody 3. H 2 O OH - + H + 4. OH - oxiduje povrch
Nanotechnológia materiálov Zmena vlastností materiálu veľkosťou častíc Objekty - nanočastice s def. rozmerom, tvarom, štruktúrou, mriežkou a zložením Zmena vlastností materiálov - počet atómov povrchu > počet atómov objemu N=2 8:0 N = 3 26:1 N = 4 56:8 (N 3 (N-2) 3 ) : (N-2) 3 N = 10 488/512 ~ 50% N = 20 2168/5832 ~ 27% N = 100 58808/941192 ~ 6% Nekubické útvary aj pre N >> 20!!!
Uhlíkové nanotechnológie Fulerén C60 Nanorúrky L/w =28 000 000:1 Pevnosť v ťahu: 100 x oceľ 30 x kevlar Pružnosť
Od diódy po mikroprocesor 1874 prvé použitie polovodičovej súčiastky hrotovej diódy 1925 - prvý patent - FET transistor, fyzik J. E. Lilienfeld 1937 C. Shannon digitálna elektronika, Booleova algebra 1947 J. Bardeen a W. Brattain, AT&T Bell Labs tranzistor Ge 1951 Shockley patentuje pn tr., 1956 Nobelova cena 1949 - W. Jacobi patentuje IC- podobný polovodičový zosilňovač 1958 - IC - R. Noyce, J. Kilby 2000 - J. Kilby - Nobelova cena 1959 patent - Kurt Lehovec p-n prechodovej izolácie pre IC 1962 - F. Wanlass - MOSFET tranzistory typu n a p - CMOS. 1965 Moore predvída rozvoj CMOS technológie do budúcnosti 1966 - R. Dennard, IBM, navrhol RAM pamäť- DRAM - dodnes 1971 - Intel - µproc. 4004. 2 300 tranzistorov, 10-µm CMOS techn. 1981 - IBM - PC. µp Intel 8086, 29 000 tr., 3-µm CMOS,64 kb RAM 2000 - µp Pentium IV, Intel, 42 mil. tr., 0.13-µm CMOS techn.
FET tranzistor n-kanálový FET 0 V +10 V Poly-Si SiO2 Si Malá zmena V G veľká zmena SD prúdu zosilňovací efekt Ochudobnenie Režimy Inverzia Prečo Si? Bezporuchovosť, prirodzený oxid, hradlo poly Si p-kanál n-kanál
CMOS vylúčenie odporov z logických obvodov + MOS invertor 100 mw CMOS invertor 1 µw Ide realizovať technologickým procesom NAND a ďalšie digitálne IO!!!
Mooreov zákon - dvojnásobný rast za 18 24 mesiacov Počet tranzistorov /plochu IC bez zvýšenia ceny sa zdvojnásobí každých 18-24 mesiacov. Výkon počítačov a ich spotreba rastie podobne. Mooreov 2. zákon náklady na polovodičovú výrobu (technológie) rastú exponenciálne.
Limity zmenšovania - škálovanie v MOS súčiastkách Zvýšenie hustoty súčiastok nesmie zvýšiť hustotu výkonu inak sa kryštál roztaví! Dnes 45 nm nód
Limity zmenšovania - škálovanie v MOS súčiastkách Problémy: 1. Hrúbka oxidu 3 nm tunelovanie el. - HfO 2 2. Kovové prepojenia, kontakty zmeniť poly-si za kov 3. Vysoký výkon v akt. vrstve - GaAs/AlGaAs a SiGe
Materiály pre CMOS technológiu viď ITRS 09 Alternative gate dielectrics
Materiály pre CMOS technológiu Metal gates
Technológie tenkých vrstiev pre mikroelektroniku Chemické nanášanie z pár organokovových zlúčenín, MOCVD Kanál - GaAs/AlGaAs Oxidy - HfO 2 Nanášanie po atómových vrstvách, ALD Epitaxný rast pomocou molekulového zväzku, MBE
Epitaxné technológie, nové možnosti a efekty Pre nod < 15 nm - kvantové efekty príprava nízkodim. systémov 2D Quantum Well - 1D Quantum Wire - 0D Quantum Dot Kvantovanie vodivosti kvantový bodový kontakt, QPC Coulombická blokáda SET
Čo teda prinášajú nanotechnológie? Skenovacie sondové mikroskopy - na nm -úrovni: zobrazujú, charakterizujú, menia a tvarujú povrchy živých a neživých látok umožňujú sledovať chemické reakcie, proteíny, DNA, životné pochody slúžia k príprave nanoelektroniky, umožnia testovať main-stream elektroniku Nanotechnológia materiálov: nanomateriály menia vlastnosti výsledného výrobku (na povrchu veľa atómov) vznikajú nečakané nové útvary (nanorúrka) s unikátnymi vlastnosťami podporujú prudký rozvoj materiálového inžinierstva nespočet možností Nanotechnológia elektroniky: zahŕňa ďalší rozvoj elektroniky v hlavnom vývojovom smere
Ďakujem za pozornosť!