Op zoek naar het erg Op zoek naar het erg kleine: zien van atomenkleine: zien van atomen

Prof. D. Van DyckProf. D. Van DyckVice-rector onderzoekVice-rector onderzoekUniversiteit AntwerpenUniversiteit AntwerpenDirk.vandyck@ua.ac.beDirk.vandyck@ua.ac.be

04/13/2304/13/23 22

Wat is nanotechnologie?Wat is nanotechnologie?

04/13/2304/13/23 33

Nano: hoe klein?Nano: hoe klein?

04/13/2304/13/23 44

Nano: hoe klein?Nano: hoe klein?

04/13/2304/13/23 55

Computer ChipsComputer Chips

04/13/2304/13/23 66

Schaling naar CMOS TechnologSchaling naar CMOS Technologieie

TEM. F. H. Baumann

60 nm

WSix

Poly-Si

182 monolayers channel

1.2 nm

Gate Oxide ~ 5 Si Atoomdikte

p+ source p+ drain

n channel

0

1

2

3

4

5

6

050100150200250300

Zuurstof dikte (nm)

Gat

e Z

uu

rsto

f d

ikte

(n

m)

Technology Generation (nm)

19981997Bell Labs

Research

Lucent Technologies Bell Labs Innovations

In 1997 was een zuurstofkanaal20 silicium atomen dik.

In 2008, zal een zuurstofkanaal5 siliciumatomen dik zijn,

.

.

.

en minstens 2 v.d. 5atomen zullen op het grensvlak liggen

Naar atomaire schaal zuurstofkanalen

1997

1999

2003

2008

04/13/2304/13/23 88

NanotechnologieNanotechnologie

• Top down: nano-electronica naar Top down: nano-electronica naar onder schalenonder schalen

• Bottom-up: kenmerken en Bottom-up: kenmerken en functionaliteit op verzoek, atoom per functionaliteit op verzoek, atoom per atoom opbouwenatoom opbouwen

• Multi- en interdisciplinair: fysica, Multi- en interdisciplinair: fysica, biologie, scheikunde, electronicabiologie, scheikunde, electronica

• UitdagingenUitdagingen

04/13/2304/13/23 99

Bottom-up vs. top downBottom-up vs. top down

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

1 mm

1 nm

Nanotechnologie

Schaalverkleining

Schaalvergroting

Hogere performantie

Nieuwe functies

04/13/2304/13/23 1010

Bottom up aanpakBottom up aanpak

“The best way to predict the future is to invent it.” -Alan Kay

04/13/2304/13/23 1111

Nanotechnologie: nu!Nanotechnologie: nu!

• RoadmapsRoadmaps

• Nieuwe instrumenten, uitrustingNieuwe instrumenten, uitrusting

• Verbeterde productie/technologieVerbeterde productie/technologie

• Hoge performantie structurenHoge performantie structuren

• Theorie (quantum mechanica)Theorie (quantum mechanica)

• Computer modelleringComputer modellering

04/13/2304/13/23 1212

Technologische revolutiesTechnologische revoluties

1.1. 1730-1830: 1730-1830: – Dominerende technologie: stoommachineDominerende technologie: stoommachine– Wetenschap: mechanica, thermodynamicaWetenschap: mechanica, thermodynamica

2.2. 1830-1930:1830-1930:– Dominerende technologie : electriciteitDominerende technologie : electriciteit– Wetenschap: electro-magnetismeWetenschap: electro-magnetisme

3.3. 1930-1930-– Dominerende technologie : (micro) electronicaDominerende technologie : (micro) electronica– Wetenschap : vaste stof physica, quantum mechanicaWetenschap : vaste stof physica, quantum mechanica

4.4. Nanotechnologie?Nanotechnologie?

04/13/2304/13/23 1313

Impact van nanotechnologieImpact van nanotechnologie

1.1. Materialen en processen: coatingsMaterialen en processen: coatings2.2. Nano electronica, computer Nano electronica, computer

technologie, nano robotica: transistorstechnologie, nano robotica: transistors3.3. Geneeskunde, biotechnologie, Geneeskunde, biotechnologie,

genetica: DNA sensorsgenetica: DNA sensors4.4. Ruimte, automobiel: zonnecellenRuimte, automobiel: zonnecellen5.5. Milieu, landbouw, energie: intelligentieMilieu, landbouw, energie: intelligentie6.6. Scheikunde: katalysatorsScheikunde: katalysators

04/13/2304/13/23 1414

InGaN/GaN

HalfgeleidersHalfgeleiders: LED: LED

© Benny Van Daele, benny.vandaele@ua.ac.be

04/13/2304/13/23 1515

Technologie: LED’sTechnologie: LED’s

04/13/2304/13/23 1616

Nano buisjesNano buisjes

04/13/2304/13/23 1717

SWNT on AuSWNT on Au

04/13/2304/13/23 1818

Nano transistorsNano transistors

04/13/2304/13/23 1919

Gefocusseerde Gefocusseerde kankerbehandelingkankerbehandeling

04/13/2304/13/23 2020

Experimenten Theoriex

y

20 pm

Al, bistable

Al

Cu

Kwantificatie van kolomposities

Scheikunde (Z-contrast beeld)

Structuur (Electron Uittreegolf)

Al, bistable

Cu

Al

Charge Density

Cu

First principles electronische structuurberekeningen

J. Plitzko, G. Campbell (LLNL), G. Duscher (ORNL), C. Kisielowski (LBNL), 2002

Theorie en experimentTheorie en experiment

04/13/2304/13/23 2121

AFM microscoopAFM microscoop

04/13/2304/13/23 2222

STM microscoopSTM microscoop

04/13/2304/13/23 2323

Atomen zien ....Atomen zien ....

04/13/2304/13/23 2424

licht

LichtbronLichtbron

glas

lucht

Condenser lens

sample

Objectief lens

Intermediair beeld

Projecterende lens

Finaal beeld

OOptische microscoptische microscoopop

04/13/2304/13/23 2525

http://www.cellsalive.com/

OOptische microscoptische microscoopop

04/13/2304/13/23 2626

cm mm µm nm Å10-2 10-3 10-6 10-9 10-10 (m)

Typische resoluties voor verschillende microscopen

ResolutieResolutie

Eye

OM

SEM

SPM

TEM

04/13/2304/13/23 2727

filament

cathode

anode

Final imageFotografische plaatFluorescent scherm

Electromagnetic Condenser lens

sampleE.M. objective lens

Intermediate image

E.M. projecting lens

ElectronenmicroscoElectronenmicroscopiepie Electronenmicroscoop

Lichtgolven

electron golven

04/13/2304/13/23 2828

Resolutie golflengte Resolutie golflengte

04/13/2304/13/23 2929

Resolutie electronResolutie electronenen

Electronen zijn tegelijkertijd deeltjes en golven

+

-

-

-

-

-

licht = energie

energie = materie

licht=materieE.M.

04/13/2304/13/23 3030

filament

cathode

anode

Final beeld

Electromagnetische Condenser lens

sampleE.M. objective lens

Intermediair beeld

E.M. projecting lens

Licht

electronen

electromagnetische lenzen

Glas lenzen

Vacuum

ElectronenmicroscoElectronenmicroscopiepie Electronenmicroscoop

Fotografische plaatFluorescent scherm

04/13/2304/13/23 3131

electronenbron

diffraction(reciprocal space) beeld

(up to 106)

monster

energie-verlies spectrometer(inelastische verstrooiing)

beeldvormend systeem belinchtingssysteem

diffraction

ElectronenmicroscoElectronenmicroscopiepie

04/13/2304/13/23 3232

Scanning Electronenmicroscopie, HREM, Scanning Electronenmicroscopie, HREM, spectroscopiespectroscopie

A STEM / HRTEM : Tecnai G2

spoelen

Monster

Gefocusseerde e-bundel

HAADF Detector

Beeld filter

Upgrade to HRTEM/STEM @ NCEM in 2002 Eerste instrument van deze soort in de US

•Sonde grootte 0.13 nm (momenteel bij NCEM: ~1 nm)•Energie resolutie: 200 - 300 meV (currently: ~1eV)•Informatielimiet : < 0.1 nm @ 200 kV•Fasecontrast & Z-Contrast & Spectroscopie

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

390 400 410 420 430 440

On core

Off core

Co

un

ts (

arb

. un

it)

Energy Loss (eV)

Huidige technologie HAADF-image Locaal energie spectrum

Dislocatie in GaN [0001] 0.2 nm

N. Browning, C. Kisielowski, LDRD, 2002-2003

04/13/2304/13/23 3333

HalfgeleidersHalfgeleiders

© Steven Hens

04/13/2304/13/23 3434

Diamant CVDiamant CVD filmsD films

© Bert Willems, bert.willems@ua.ac.be

04/13/2304/13/23 3535

Focus variatie methode

04/13/2304/13/23 3636

04/13/2304/13/23 3737

Copper-segregated 5 boundary in Al[001].(Courtesy of C. Kisielowski et al.)

04/13/2304/13/23 3838

Meyer R.R. et al., Science 289 (2000), 1324-1326.

04/13/2304/13/23 3939

Resolutie golfleResolutie golflengtengte