Upplägg och planering för NanoIntro 12; Lars Samuelson

Transkript

1 Upplägg och planering för NanoIntro 12; Lars Samuelson Måndag 3/9: Presentationer av deltagarna Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss Måndag 10/9: Viktiga grunder: energistruktur, atomer-molekyler-kristaller Sal F Metaller-halvledare-isolatorer. Bandgap hos halvledare (& isolatorer) Torsdag 13/9: Nanofysik: kvantfysik & unika fenomen på nanoskalan Sal F Partikel-våg dualitet, konstgjorda atomer, tunnlingsfenomen Måndag 17/9: Materialvetenskap/teknik syntes på nanoskalan, funktionella material Sal F Epitaxi, nanomaterial, sveptunnel- och atomkraftmikroskop mm mm Tisdagen 18/9: Nanoelektronik och -optik, Nano-energi Sal F Transistorer, lysdioder, solceller mm Schema för hösten 2012

2 Schema för hösten 2012 Schema för hösten 2012

3 Schema för hösten 2012

4 H421 Sal B Sal F k-rummet LundNanoLab NANOSCIENCE interdisciplinary research at Lund University MAX IV

5 MAX IV An ultrabright synchrotron with top energy 3.4GeV, 20 x 50m beam-lines will be built in Lund: MAX IV Budget: USD M Operational: 2013 The European Neutron Spallation Source, ESS, will be build in Lund, with the Scandinavian countries as host countries: Budget USD3B Operational: 2019 Malmö Köpenhamn Lunds stad Lunds Universitet - Campus Norr Ideon Forskningsby LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA

6 L U N D U N I V E R S I T Y Scandinavia s Largest University Founded in students doctoral students employees (46% women) 562 professors (18% women) Eight faculties Several specialised schools EUR 620 million turnover L U N D U N I V E R S I T Y Research Profile Areas Nano-science Neurodegenerative Diseases Medicine and Pharmaceuticals Sustainable Development of Global Society

7

8 February 2005 Lund Nano Lab First floor Cleanroom class ISO 5 class 100 Semiconductor processing 3 individual anti-vibration platforms Second floor Cleanroom class ISO 7 class 10,000 Semiconductor growth Connected with Berzelius Laboratory

9 Ground floor Ebeam-lithography FIB/F-SEM Metallization Also: Thermal evaporation ICP-RIE Optical lithography Nanoimprint lith. Ellipsometry AFM etc. Sputtering Top floor Semiconductor fabrication All types of III-Vs: Nitrides Antimonides Fosfides Arsenides Also: CBE ALD Electron micr. X-ray diffr. PL etc. MOCVD Research Prototypes Production of small series Throughput: ca 3000 wafers/year

10 This is a Swedish Centre for the development of nanotechnology and fields of science & applications based on the uniqueness of properties and opportunities offered at this nanometer length scale. Research: Bio-Physics & Bio-Medicine The Nanometer Structure Consortium NanoElectronics & NanoPhotonics NanoEnergy NanoSafety Materials Science Education: Engineering Nanoscience (CI-program i Teknisk Nanovetenskap Physics of nm-structures Industrial cooperation: Excellent access for Nanotech-based companies to advanced facilities & competences via the creation of Lund Nano Lab and the recently initiated NanoIncubator NanoIncubator NANOVATION Lund Nano Lab Master of Science in Engineering nanoscience YEAR Masters project Nanobiomedicine 30 cp Specialization courses 90 cp Nanobiomedicine Masters project Nanomaterials 30cp Specialization courses 90 cp Nanomaterials Masters project Nanoelectronics 30 cp Specialization courses 90 cp Nanoelectronics Masters project Nanophysics 30 cp Specialization courses 90 cp Nanophysics Nanointro symp. 7 cp Basic Physics 12 cp Calculus in one variable 15 cp Programming 7,5 cp Basic Chemistry 12,5 cp Electronic materials 7,5 cp Basic electronics 7,5 cp Quant. phen. & nanotech. 9 cp Cell biology 7,5 cp Linear algebra 6 cp Calculus in sev. var. 6 cp Func. materials 7,5 cp Human physiology 7,5 cp Applied maths 7,5 cp Sensors 7,5 cp Process.& dev. tech. 7,5 cp Autom. control 7,5 cp Nanosustainab ility 7,5 cp Nanoengineering proj. 15 cp Nanoscale analysis 7,5 cp Mathemat. statistics 7,5 cp YEAR 1 YEAR 2 YEAR 3

11

12 Nano är framtidens teknologi. Nanotekniker är den som bygger nyttiga produkter med de minsta greppbara delar som naturen tillhandahåller, atomer och molekyler, och målet är att behärska dem lika fulländat som naturen själv gör. Nanotekniken har utsikter att ge oss mirakulösa material, revolutionera datorsamhället och erbjuda värdefulla bidrag till medicinen, miljövården och energiförsörjningen. Boken ger en lättläst översikt över nanoteknikens framväxt, löften och hot, och samtidigt fångar den in många av naturens fenomen på ett praktiskt och lättfattligt sätt. Inte minst presenteras många av de människor som bidragit till att föra världen till tröskeln av den nya teknologiska eran: nanoepoken. Susanne Holmlund är kulturredaktör vid Sundsvalls Tidning med ett förflutet inom vetenskapsjournalistik. Håkan Olin är professor i materialfysik vid Mittuniversitetet och grundare av företaget Nanofactory Instruments. Den från Nobelsammanhang kände professor Anders Bárány har skrivit förord.

13 nanometerteknik (ur Nationalencyklopedin) nanome terteknik, nanoteknik, teknik för framställning av objekt mellan 1 och 100 nanometer (nm, miljarddels meter, 10-9 m), bl.a. använd inom elektronik, bioteknik och naturvetenskaplig forskning. Den viktigaste drivkraften för nanometerteknikens utveckling är tillämpningar inom elektroniken, t.ex. integrerade kretsar (transistorer m.m.) och optoelektronik (lasrar och detektorer för fiberoptisk kommunikation). Dessa bygger ofta på epitaxi, som är en nanometerteknik som tillåter att (halvledar)materialet byggs upp mycket exakt, atomlager för atomlager, med möjlighet att ändra kristallens kemiska sammansättning och därmed egenskaper mellan olika lager. I dag tillverkas kretsar med dimensioner kring 50 nm. Gränsen för den ljusbaserade tekniken uppskattas till ca nm. För strukturer ner till och under 10 nm utnyttjas röntgen-, jonstråle- eller elektronstrålelitografi. Nanometerelektroniken domineras av och utnyttjar olika kvantmekaniska fenomen, exempelvis för komponenter baserade på tunneleffekter. En annan gren av nanometertekniken kan beskrivas som molekylär nanometerteknik, där man söker kombinera många relativt små molekyler till större aggregat med funktionella egenskaper. Inom denna biovetenskapliga gren ser man levande biologiska system som programmerbara molekylära maskiner, vilka arbetar på nanometerskala. Slutligen kan nämnas sveptunnelmikroskop (STM) och atomkraftmikroskop (AFM), som är två ganska nya tekniker inom fysiken med känslighet och upplösning på sub-nanometernivå. De diskuteras för användning i nanometerlitografi samt som robotar för att hantera och sätta samman molekyler och andra nanometerstora objekt.

14 Naturen 1 mm Tekniken Kvalster 100!m Knappnål 10!m Intel 4004 År 1971 (10!m) Blodcell 1!m Synligt ljus Ribosom 100 nm 10 nm Intel År 2010 (35 nm) DNA 1 nm Kolfotboll DNA origami En logaritmiskt arrangerad samling av fenomen vilka uppträder på olika längdskalor, från 1m ner till 1nm

15 Historiskt perspektiv på utvecklingen av nanovetenskap & nanoteknik There s plenty of room at the bottom! Richard Feynman, 1959 Skapandet av sveptunnelmikroskopet (STM) Rohrer & Binnig, ca Nobelpris fysik 1986 Upptäckten av Fullerenerna, C60-fotbollsmolekylen Kroto, Smalley & Curl, ca Nobelpris kemi 1996 Manipulering av atomer med STM Eigler ca 1990 resp. ca 2000 The national nanotechnology initiative - NNI Clinton 2000 There is Plenty of Room at the Bottom Richard Feynman American Physical Society Caltech 1959 Sagt av nobelpristagaren Richard P. Feynman i ett föredrag 1959: "The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom."

16 Historiskt perspektiv på utvecklingen av nanovetenskap & nanoteknik There s plenty of room at the bottom! Richard Feynman, 1959 Skapandet av sveptunnelmikroskopet (STM) Rohrer & Binnig, ca Nobelpris fysik 1986 Upptäckten av Fullerenerna, C60-fotbollsmolekylen Kroto, Smalley & Curl, ca Nobelpris kemi 1996 Manipulering av atomer med STM Eigler ca 1990 resp. ca 2000 The national nanotechnology initiative - NNI Clinton 2000

17 Historiskt perspektiv på utvecklingen av nanovetenskap & nanoteknik There s plenty of room at the bottom! Richard Feynman, 1959 Skapandet av sveptunnelmikroskopet (STM) Rohrer & Binnig, ca Nobelpris fysik 1986 Upptäckten av Fullerenerna, C60-fotbollsmolekylen Kroto, Smalley & Curl, ca Nobelpris kemi 1996 Manipulering av atomer med STM Eigler ca 1990 resp. ca 2000 The national nanotechnology initiative - NNI Clinton 2000

18 Historiskt perspektiv på utvecklingen av nanovetenskap & nanoteknik There s plenty of room at the bottom! Richard Feynman, 1959 Skapandet av sveptunnelmikroskopet (STM) Rohrer & Binnig, ca Nobelpris fysik 1986 Upptäckten av Fullerenerna, C60-fotbollsmolekylen Kroto, Smalley & Curl, ca Nobelpris kemi 1996 Manipulering av atomer med STM Eigler ca 1990 resp. ca 2000 The national nanotechnology initiative - NNI Clinton 2000 Don Eigler, IBM

19 Historiskt perspektiv på utvecklingen av nanovetenskap & nanoteknik There s plenty of room at the bottom! Richard Feynman, 1959 Skapandet av sveptunnelmikroskopet (STM) Rohrer & Binnig, ca Nobelpris fysik 1986 Upptäckten av Fullerenerna, C60-fotbollsmolekylen Kroto, Smalley & Curl, ca Nobelpris kemi 1996 Manipulering av atomer med STM Eigler ca 1990 resp. ca 2000 The national nanotechnology initiative - NNI Clinton 2000

20 Egenskaper från designade ytstrukturer på nanoskalan THE LOTUS LOTUS EFFEKTEN Bakterier, laxar och fåglar har kommit på hur man gör ideala magneter Magnetospirillum One example of a magnetotactic (magnetite-producing) bacterium. Note the line of slightly elongated magnetite crystals down the bacterium's center. These magnetic nanocrystals, nm, act as a compass, aligning the bacterium with the Earth's magnetic field. The magnetites are grown atom by atom För att kunna utnyttja extremt starka magneter för att orientera sig i det jordmagnetiska fältet har dessa organismer kommit på att: om magnetiska nanokristaller är lagom stora är de mycket starka magneter, men om de är större än 100 nm så bildas multi-domäner med mycket svagare magnetism lagom för stor om magnetiska nanokristaller är mindre än 20 nm så förloras de ferro-magnetiska egenskaperna: istället super-paramagnetism för liten

21 nanocrystals, nm, act as a compass, aligning the bacterium Magnetospirillum One example of a magnetotactic with the Earth's magnetic field. (magnetite-producing) bacterium. Single-domain are able to make nanocrystals Så Bacteria det är bakterier, laxar very m.fl.precise som lärt oss att because göra ideala nanomagneter they control the construction of the crystal at an atomic level. Nanomagnets Note the line of slightly elongated magnetite crystals down the bacterium's center. These magnetic nanocrystals, nm, act as a compass, aligning the bacterium with the Earth's magnetic field. The magnetites are grown atom by atom inside the bacteria. The bacteria form a little membrane around the crystal that controls the growth of the magnetite, and then they pump iron atoms into that membrane and form these crystals (which consist of iron and oxygen atoms). By carefully controlling crystal growth with the membrane, the bacteria keep the crystals from growing in one direction and allow them to grow in another Traditionell nanoteknik för framställning av färgat glas (medeltida kyrkor) och nanopigment i färgframställning (MIT/Harvard) Single-domain Nanomagnets (MIT/Harvard)

22 Andra exempel på nano-produkter som finns på marknaden NANOFLEX Första transistorn från Bell Labs 1947 (Bardeen, Brattain & Shockley)

23 Kostnaden/transistor har sedan 1965 reducerats med en faktor >10 6 Manufacturing marvel What s more, all this power is fabricated in IBM s state-of-the-art 130-nanometer process technology using high-performance Silicon-on-Insulator transistors and copper interconnects. Switches store the instructions that the PowerPC G5 ultimately processes in its execution core. Making these transistors smaller and more numerous boosts performance, but presents challenges. Imagine fitting over 58 million light switches into the space the size of your thumbnail. One in 58 Million. A transistor just 130nm wide (yellow) on substrate of SOI (blue) with copper interconnects (gray). Layers of nitride (brown) and oxide (green) insulate it from its brethren. Magnified 146,000 times. Amazing. Nine layers of metal that comprise the devices and paths of the G5 as seen via transmission electron microscope. The bottom layer contains transistors, the eight above it comprise a labyrinth of copper connections. Magnified 13,000 times.

24 Så vad är då Nanovetenskap & Nanoteknologi egentligen? NANOVETENSKAP & NANOTEKNOLOGI sysslar med fenomen som bara uppträder på nano-skalan, <100 nm, (1 nm = 1 miljondels mm) samt möjligheter att skapa designade material, komponenter & instrument för denna längdskala Nanovetenskap & Nanoteknologi härmar ofta naturens sätt att bygga ideala funktionella strukturer via bottom-up, eller själv-organiserande, metoder Kimberly Dick et al.

25 Så vad är då Nanovetenskap & Nanoteknologi egentligen? NANOVETENSKAP & NANOTEKNOLOGI sysslar med fenomen som bara uppträder på nano-skalan, <100 nm, (1 nm = 1 miljondels mm) samt möjligheter att skapa designade material, komponenter & instrument för denna längdskala Nanovetenskap & Nanoteknologi härmar ofta naturens sätt att bygga ideala funktionella strukturer via bottom-up, eller själv-organiserande, metoder Bland sannolika viktiga framtida tillämpningsområden kan nämnas: designade materialstrukturer som uppvisar unika kvantfysikaliska fenomen Nobel prize in Physics 2010 For groundbreaking experiments regarding the two- dimensional material graphene För banbrytande experiment rörande det tvådimensionella materialet grafen Andre K. Geim Born: Russia 1958 Na1onality: Netherlands University of Manchester Konstan6n S. Novoselov Born: Russia 1974 Na1onality: Russia and UK University of Manchester The energy band-structure E vs kx and ky, with six double cones, with linear E vs k. at the Fermi energy.

26 Så vad är då Nanovetenskap & Nanoteknologi egentligen? NANOVETENSKAP & NANOTEKNOLOGI sysslar med fenomen som bara uppträder på nano-skalan, <100 nm, (1 nm = 1 miljondels mm) samt möjligheter att skapa designade material, komponenter & instrument för denna längdskala Nanovetenskap & Nanoteknologi härmar ofta naturens sätt att bygga ideala funktionella strukturer via bottom-up, eller själv-organiserande, metoder Bland sannolika viktiga framtida tillämpningsområden kan nämnas: designade materialstrukturer som uppvisar unika kvantfysikaliska fenomen designade material med överlägsna mekaniska & tribologiska egenskaper

27 Så vad är då Nanovetenskap & Nanoteknologi egentligen? NANOVETENSKAP & NANOTEKNOLOGI sysslar med fenomen som bara uppträder på nano-skalan, <100 nm, (1 nm = 1 miljondels mm) samt möjligheter att skapa designade material, komponenter & instrument för denna längdskala Nanovetenskap & Nanoteknologi härmar ofta naturens sätt att bygga ideala funktionella strukturer via bottom-up, eller själv-organiserande, metoder Bland sannolika viktiga framtida tillämpningsområden kan nämnas: designade materialstrukturer som uppvisar unika kvantfysikaliska fenomen designade material med överlägsna mekaniska & tribologiska egenskaper designed material med katalytiska, t.ex. rengörande, egenskaper (CO, H 2 O)

28 Så vad är då Nanovetenskap & Nanoteknologi egentligen? NANOVETENSKAP & NANOTEKNOLOGI sysslar med fenomen som bara uppträder på nano-skalan, <100 nm, (1 nm = 1 miljondels mm) samt möjligheter att skapa designade material, komponenter & instrument för denna längdskala Nanovetenskap & Nanoteknologi härmar ofta naturens sätt att bygga ideala funktionella strukturer via bottom-up, eller själv-organiserande, metoder Bland sannolika viktiga framtida tillämpningsområden kan nämnas: designade materialstrukturer som uppvisar unika kvantfysikaliska fenomen designade material med överlägsna mekaniska & tribologiska egenskaper designed material med katalytiska, t.ex. rengörande, egenskaper (CO, H 2 O) ideala material för energitillämpningar, t.ex. solceller och lysdioder (LEDs) Photo-voltaic solar cells: - thin film technology - crystalline Si cells - multi-junction cells

29 Så vad är då Nanovetenskap & Nanoteknologi egentligen? NANOVETENSKAP & NANOTEKNOLOGI sysslar med fenomen som bara uppträder på nano-skalan, <100 nm, (1 nm = 1 miljondels mm) samt möjligheter att skapa designade material, komponenter & instrument för denna längdskala Nanovetenskap & Nanoteknologi härmar ofta naturens sätt att bygga ideala funktionella strukturer via bottom-up, eller själv-organiserande, metoder Bland sannolika viktiga framtida tillämpningsområden kan nämnas: designade materialstrukturer som uppvisar unika kvantfysikaliska fenomen designade material med överlägsna mekaniska & tribologiska egenskaper designed material med katalytiska, t.ex. rengörande, egenskaper (CO, H 2 O) ideala material för energitillämpningar, t.ex. solceller och lysdioder (LEDs) konstruktion av instrument och mätsystem som kan nå fram till och studera fenomen inom livsvetenskaperna, ner till nivån enskilda atomer & molekyler

30 Så vad är då Nanovetenskap & Nanoteknologi egentligen? NANOVETENSKAP & NANOTEKNOLOGI sysslar med fenomen som bara uppträder på nano-skalan, <100 nm, (1 nm = 1 miljondels mm) samt möjligheter att skapa designade material, komponenter & instrument för denna längdskala Nanovetenskap & Nanoteknologi härmar ofta naturens sätt att bygga ideala funktionella strukturer via bottom-up, eller själv-organiserande, metoder Bland sannolika viktiga framtida tillämpningsområden kan nämnas: designade materialstrukturer som uppvisar unika kvantfysikaliska fenomen designade material med överlägsna mekaniska & tribologiska egenskaper designed material med katalytiska, t.ex. rengörande, egenskaper (CO, H 2 O) ideala material för energitillämpningar, t.ex. solceller och lysdioder (LEDs) konstruktion av instrument och mätsystem som kan nå fram till och studera fenomen inom livsvetenskaperna, ner till nivån enskilda atomer & molekyler medicinsk teknik för studier av enskilda celler och för selektiv, riktad behandling

31 Så vad är då Nanovetenskap & Nanoteknologi egentligen? NANOVETENSKAP & NANOTEKNOLOGI sysslar med fenomen som bara uppträder på nano-skalan, <100 nm, (1 nm = 1 miljondels mm) samt möjligheter att skapa designade material, komponenter & instrument för denna längdskala Nanovetenskap & Nanoteknologi härmar ofta naturens sätt att bygga ideala funktionella strukturer via bottom-up, eller själv-organiserande, metoder Bland sannolika viktiga framtida tillämpningsområden kan nämnas: designade materialstrukturer som uppvisar unika kvantfysikaliska fenomen designade material med överlägsna mekaniska & tribologiska egenskaper designed material med katalytiska, t.ex. rengörande, egenskaper (CO, H 2 O) ideala material för energitillämpningar, t.ex. solceller, LEDs och termoelektricitet konstruktion av instrument och mätsystem som kan nå fram till och studera fenomen inom livsvetenskaperna, ner till nivån enskilda atomer & molekyler medicinsk teknik för studier av enskilda celler och för selektiv, riktad behandling designade material med ideala egenskaper för IT-tillämpningar, t.ex. för magnetisk lagring, komponenter/kretsar, optoelektronik mm IBM enhanced "64-bite" PowerPC 970 Microprocessor with Macintosh apple. The new state-ofthe-art facility in East Fishkill, NY, required an investment of USD 3 billion. "These images are reproduced courtesy of International Business Machines Corporation. Unauthorized use not permitted."