Var står nanotekniken idag - och hur ser framtiden ut?

Transkript

1 Var står nanotekniken idag - och hur ser framtiden ut? Jan Andersson, Acreo 20/09/2005 # 1

2 Innehåll Vad är nanoteknik? Vad är läget för nanotekniken idag? Vilka framtidsutsikter har den? 20/09/2005 # 2

3 Vad lovar nanotekniken enl vurmarna? Några nanovisioner: Framtid!!! Superintegrerad elektronik Terabyte-minnen (skriv-läs, ickeflyktiga) Högintensiva ljuskällor med låg effektförbrukning Superdatorer baserade på molekylära aggregat Billiga optoelektroniska komponenter och IC Kompakta högeffektiva batterier Biochips för diagnos och för invärtes avkänning Nya material för optik, elektronik och mekanisk styrka Lågkostnadsproduktion av material och komponenter En blomstrande industriell verksamhet hägrar! 2005 Nanotek 20/09/2005 # 3

4 Från Ny Teknik 4 maj -05 Belackarna: Hajpad nano inget för industrin Flummigt begrepp Svårt att sälja in nanoteknologi Hittills bara forskning Många år innan tekniken är mogen Är det så? Nanotek Framtid??? /09/2005 # 4

5 När startade allting? Feynmans föreläsning 1959 There is plenty of room at the bottom Ordet nanoteknologi användes första gången 1974 av N. Tanigushi vid Tokyo University 20/09/2005 # 5

6 Nanodimensioner Nanotekniken handlar om att arbeta med och manipulera objekt som är mellan nanometer stora 20/09/2005 # 6

7 Nanoteknologi - definition Vad är nanoteknologi? Material, strukturer eller system vars egenskaper kritiskt beror på dimensioner mindre än 100 nanometer Noggrann styrning av dimensionerna krävs Tillverkning sker på nästan atom- eller molekylnivån Komponenter och material med nya unika optiska, elektriska, kemiska, biologiska och/eller mekaniska egenskaper Multi-disciplinärt område 20/09/2005 # 7

8 Nano är mest forskning Universitetslab och institut har arbetat aktivt med nanoteknologi under mer än 15 år 20/09/2005 # 8

9 FoU => kommersialisering Forskningsresultat håller nu på att kommersialiseras av: Stora multinationella företag (IBM, HP, Motorola, NEC,...) Små uppstartföretag - men oftast krävs produktionsresurser/lab Problem för riskkapitalister: nanoteknologi täcker tillämpningar i flera marknader, and går tvärs etablerade discipliner företagsledningar prioriterar mellan tillämpningar/ marknader 20/09/2005 # 9

10 Företag fördelade efter teknikområde Consulting Software Media Research NanoTubes Nano Biotechnology NanoPowders NanoChemicals NanoMaterials NanoMachines NanoDevices NanoInstruments Altogether 590 registered companies in the nanotech field, worldwide 20/09/2005 # 10

11 Companies distribution by country number 20/09/2005 # 11

12 Minst-seminarium Kraven på industriell produktion av komponenter/sensorer? Tillräckligt högt utbyte Reproducerbarhet/ stabil process Möjlighet att skala upp till större volymer Låg kostnad och tillräckligt hög prestanda Enkel kontaktering, montering och kapsling Fördelar med nanoteknologi Nya funktioner Effektivare gränssnitt mellan t ex bio- och elektroniska världarna Extrem integration till små dimensioner Högre hastighet 20/09/2005 # 12

13 Inkubator Uppstartföretag kan behöva utnyttja befintligt FoUlaboratoriums resurser för sin verksamhet åtminstone i början I Stockholm finns Electrum-laboratoriet 20/09/2005 # 13

14 Laboratorium för industriell nanoteknologi FoU-lab Epitaxi - kristallodling III-V-process Kisel- och MEMS-process Bioteknologi Litografi - nano+mikro Återkoppling, erfarenhet Produktionslab Foundry Separat Produktionsenhet Mätning - nano + mikro Pengar Produktutveckling 20/09/2005 # 14

15 Nanoteknologi-områden Kisel-IC o NEMS (superintegrerade kretsar, nya sensorer) Kvanthalvledarteknik (kvantprickar, kvanttrådar, f. fotonik) Magnetik (hårddiskar, icke-flyktiga minnen) Spintronik (sensorer, snabb elektronik) Bioteknologi (biosensorer) Nanorör (kolnanorör f. elektronik, displayer, material) Annan materialteknik (nanopartiklar, pulverkemi) Tillverkningsutrustning (nanolitografi) Karakteriseringsutrustning (AFM, röntgen, TEM) 20/09/2005 # 15

16 Nano för IT Storlek på funktionell struktur Top-down - och bottom-up -metoder Top-down (exempel: litografi) Skapa ett mönster i stor skala Minska mönsterdimensionerna Överför mönstret till ett substrat och skapa ett nanomönster t ex genom etsning Bottom-up (exempel: självorganisation av kvantprickar) Utgå från noggrannt utvalda atomer och molekyler och bygg upp nanostrukturer från dessa Top-down: fysik & elektronik Bottom-up: kemi, materialteknik & bioteknologi Tid 20/09/2005 # 16

17 IC-teknologi Kisel-IC-teknologi IdagdomineradavCMOS med applikationer överallt Moores (första) lag går i väggen? 20/09/2005 # 17

18 Kisel-IC-teknologi CMOS-fabriker blir allt kostsammare (Moores andra lag) 20/09/2005 # 18

19 Kvant-nanoteknologi GaAs Kvantbrunnar är tunna skikt av halvledarmaterial med ett litet bandgap (t ex galliumarsenid-gaas) inbäddade i ett material med stort bandgap (t ex AlGaAs). Tjocklekar typiskt 2-50 nanometer. Högprestanda och Lågkostnadskomponenter Elektronik - optoelektronik AlGaAs GaAssubstrat Skiva 20/09/2005 # 19

20 Kvantkomponenter QWIP Kvantbrunns-IR-detektor Utvecklad av Acreo. Tillverkas av Acreo E F hν E 2 E 1 Ledningsband GaAs Energi Valensband AlGaAs GaAs substrat Barriär Brunn tjocklek 5.0 nm Wafer 20/09/2005 # 20

21 QWIP-kamera QWIP-kamera från FLIR Systems IR-bild tagen med QWIP-kamera Detektormatris 320x240 pixlar totalstorlek 14x11 mm Tillverkas idag av Acreo för FLIR Systems räkning 20/09/2005 # 21

22 Kvant-nanoteknologi Kvantprickar är små öar av halvledarmaterial som påminner om konstgjorda atomer Utnyttjas för diverse optoelektroniska komponter: lasrar, modulatorer, detektorer 20/09/2005 # 22

23 Optiska/optoelektroniska komponenter Kvantpricks-IR-detektor: QDOT Kvantprickslaser Fotoniska bandgapskristaller 20/09/2005 # 23

24 Magnetik Giant magnetoresistive effect - GMR Läshuvuden för magnetiska hårddiskar, och flashminnen (MRAM) 20/09/2005 # 24

25 Nanorör Kolnanorör har tillämpningar som el ledare för nanokretsar som fält-emittrar för bildskärmar, som aktiva komponenter (transistorer) för NEMS (nanomekaniska kretsar) för superstarka material 20/09/2005 # 25

26 Bio-nano-sensor Midorion - Superkänslig biosensor 20/09/2005 # 26

27 Utrustning för nanoteknologi Tillverkningsutrustning Konventionell litografi Nya typer av litografi Karakteriseringsutrustning Atomic force microscopy (AFM) Konventionell karakterisering: röntgen, fotoluminescens, etc. 20/09/2005 # 27

28 Hur ser framtiden ut? Trender för industriell nanoteknologi Kort sikt 1-5 år Sensorer NEMS, material, biotek Nya material för optik och elektronik (kvantbrunnar, kvantprickar) 2005 Medellång sikt 5-10 år Högintegrerad CMOS Minnen - höghastighet, icke-flyktiga Lågkostnads opto och elektronik Högeffektiva ljuskällor Biosensorer Nanoteknologi Framtid > 2025 Lång sikt år Superintegrerad elektronik Molekylär elektronik Superprocessorer 20/09/2005 # 28

29 Hur ser framtiden ut? Industriella aktiviteter Kisel-CMOS + MEMS Moores lag? NEMS Molekylär elektr. Kvant-nanomaterial Kvant-nano-IC Bio-komponenter/sensorer 2005 Framtid > /09/2005 # 29

30 Sammanfattning och slutsatser Nanoteknologi är multi-disciplinärt Manipulerar objekt < 100 nanometer Material kan skräddarsys för viss tillämpning Viktig för sensorteknologi högre prestanda och mindre dimensioner + effektiva gränssnitt Industriella tillämpningar kommer på kort sikt att handla om komponenter baserade på nya högprestandamaterial samt biosensorer Förstpålängresiktkommerhögsta möjliga integration att eftersträvas för kommersialisering 20/09/2005 # 30

31 Industrial Nano- and Microtechnology Nano- and Microtechnology applied to the present and future industrial needs Electronics - Optronics - Sensors Materials - Processes - Devices - Modules - Systems 20/09/2005 # 31

32 INM Technology Materials & Processes SiC & GaAs epitaxy Quantum nanomaterials Semiconductor processing - Si, SiC, GaN, GaAs, InP MEMS incl quartz and polymers processing Flip-chip bonding - Arrays & precision Devices & Modules High frequency & power transistors & diodes Detector arrays - Imaging sensors (IR, X-ray) Arrays of electroabsorption modulators - SLM Optical packaging - Microbenches Medical sensors Lab-on-chip Systems Optical signal processors - Image analysis Broadband optical networks Bio-analysis µ-fluidics 20/09/2005 # 32

33 INM Applications & Market Paper Medical Sensors Biotech Security Processing & Measurement Optoelectronics Laboratory Electronics Vehicles Defence Telecom Electronics 20/09/2005 # 33