1. Definicje nanonauki i nanotechnologii

-nanonauka to badanie zjawisk i manipulacja elementami materii na poziomie atomowym, molekularnym i markomolekularnym[1-100nm], gdzie właściwości materii różnią się w istotny sposób od właściwości w większych skalach wymiarowych

-nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur, których przynajmniej jeden wymiar jest poniżej 100nm i które posiadają nowe właściwości, wynikające z nanorozmiaru.

2. Właściwości ciał stałych w skali nanometrowej (strukturalne, mechaniczne, termiczne, elektronowe, magnetyczne)

a)zmiany strukturalne:

zmiany wielkości:

-stosunku powierzchni do objętości (S/V)

-powierzchni właściwej (S/m=3/RP dla nanocząstki kulistej)

Defekty:

Wakanse- ze wzrostem temperatury zwiększenie o 12 rzędów wielkości

Dyslokacje- Energia swobodna dyslokacji E=E1+E2+E3 gdzie E1,2,3- poszczególne energie dyslokacji, odkształceń, wkładów entropowych

Symetria Kształtów - czasami nanokryształy przestają być kryształami a stają się układami quasi-krystalicznymi,np. zloto i inne metale

b)właściwości termiczne: temp. Topnienia np. złota zmniejsza się

c)właściwości mechaniczne: duza wytrzymałość i sprężystość, superplastycznosc; czynniki: mniej defektów, wpływ granic ziaren

d)właściwości magnetyczne: możliwy supermagnetyzm; czynniki: inne właściwości magnetyczne, zjawiska megnetooporu, pojedyncza domena dla nanoczastki

e)właściwości elektronowe: dyskretna natura stanow elektronowych - pojawiaja się przerwy energetyczne, material staje się izolatorem

3. Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM)

1. budowa i zasada działania STM (efekt tunelowy, odwrotne zjawisko piezoelektryczne)

Wykorzystuje zjawisko tunelowania elektronow by zobrazowac powierzchnie probki. Sonda sklada się z igly umieszczonej na elementach piezoelektrycznych.

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne polega na deformacji materialu pod wpływem pola elektrycznego

Efekt tunelowy to zjawisko które pokazuje ze elektron o zadanej energii może pokonac bariere potencjalu z pewnym prawdopodobienstwem

2. obrazowanie - tryby pracy (stałej wysokości, stałego prądu)

Tryb stalej wysokosci- igla porusza się na stalej wysokosci nad probka a aparatura rejestruje wylacznie zmiany pradu tunelowego. Stosuje się w przypadku probek o rownej powierzchni

Tryb stalego pradu- wykorzystuje tu sprzężenie zwrotne zapewniające stala wartość pradu tunelowego. Uzyskuje się to przez dostosowanie wysokości skanera. Sonda przekazuje systemowi informacje o wartości pradu tunelowego.

3. zalety i wady STM

Zalety: bardzo czule urzadzenie, w pionie rozdzielczość lepsza od 0,1nm w płaszczyźnie x-y atomowa, można badac właściwości elektronowe z atomowa rozdzielczością

Wady: staly prad nie jest dobry gdy odwzorowujemy topografie, niezwykla czułość na zakłócenia, nieliniowosc

4. ograniczenia skanera piezoelektrycznego i błędy odwzorowania ostrza

ograniczenia: nie może badac probki powyżej 150st.C nie bedac od niej izolowany cieplnie

bledy odwzorowania: splot z kształtem sondy, pomiar wysokości jest dobry dopóki sonda ma kontakt z probka, sonda jest ograniczona katem nachylenia, wielokrotne obrazowanie, topografia splata się z obrazem przewodnosci

4. Mikroskopia sił atomowych (AFM)

1. budowa i zasada działania AFM (prawo Hooke'a, potencjał oddziaływania)

Sklada się z: detektora położenia dźwigni, piezo skanera, dźwigni z sonda.Sonda jest umieszczona na swobodnym koncu dźwigni, jej długość rzedu nanometrow. Dlugosc dźwigni 100-200 mikrometrow. Zasada dzialania polega na skanowaniu powierzchni probki za pomoca cienkiego ostrza zamontowanego na sprężystym ramieniu i mierzenia ugięcia ramienia proporcjonalnego

2. obrazowanie - tryby pracy (stałej wysokości, stałej siły)

tryb stalej sily- układ ujemnego sprzężenia zwrotnego wbudowany w urzadzenie sterujące zapewnia bardzo duza szybkość dzialania bez dodatkowej ingerencji sterującego pomiarem komputera oprogramowania

tryb stalej wysokości- pomiar dokonywany jest przez skanowanie bez zmiany wysokości a obraz jest konstruowany dzieki interpretacji zmiennego sygnalu

3. zalety i wady AFM, błędy odwzorowania

Zalety- bardzo duza rozdzielczosc, do pracy nie jest potrzebna proznia, pomiar probek bez specjalnego przygotowania, roznego rodzaju probku w tym izolatory

Ograniczenia: plaska powierzchnia cial stalych o niewielkiej chropowatości, maly obszar skanowania

4. spektroskopia sił

5. metody dynamiczne AFM

W trybach dynamicznych dzwigienka skanujaca wykonuje oscylacje z częstotliwością bliska swojego rezonansu mechanicznego. W czasie drgan ostrze dźwigienki styka się z probka raz na okres, wywczas taka metode nazywamy przerywanym kontaktem. Istnieje również możliwość ze ostrze raz na okres zbliza się w pole bliskich oddziaływań probki bez jej dotykania, wówczas bezkontaktowy

5. Mikroskopia elektronowa

1. Podobieństwa i różnice do mikroskopii optycznej

Mikroskop optyczny- wykorzystuje światło przechodzące przez układ optyczny z kilku-kilkunastu soczewek optycznych

Mikroskop elektronowy- w miejsce promieni świetlnych uzywa wiazki elektrownow

2. Efekty oddziaływania elektronów z ciałem stałym (elektrony odbite, wtórne, Augera, promieniowanie X, fluorescencja)

Elektrony zderzając się z atomami materii traca energie kinetyczna i mogą:

-spowodowac emisje, zostac całkowicie zaabsorbowane, ulec odbiciu, przeniknąć przez material

Każdy z rodzajow promieniowania jest emitowany z innej głębokości materialu i z roznej jego objętości. Z najmniejszej głębokości ok.1nm można badac sklad chemiczny cienkiej warstwy. Glebokosc 5-50nm umozliwia obserwacje powiekszonego obrazu tej powierzchni

3. Spektroskopia elektronów Augera (AES) - opis wykorzystywanego zjawiska, rodzaj uzyskiwanej informacji

Odmiana spektroskopii elektronowej, polegajaca na analizie rozkładu energetycznego elektronow Augera. Metoda bazuje na efekcie Augera, czyli bezpromienistym przejsciu elektronu na nizsza powloke.

Efeket Augera, zwany jest również samo jonizacja, polega na emisji elektronow przez atom, zachodzącej dzieki energii uwolnionej na skutek wypelniania luk w niskich powlokach elektronowych przez elektrony z wyzszych powlok. Energia elektronu Augera zalezy tylko od energii powlok miedzy którymi przechodzi elektron Eelektronu= E1-E2-E3

Gdzie E1- energia wiazanie elektronu na poziomie 1, E2-energia elektronu który przechodzi na poziiom1, E3- energia wiazania elektronu opuszczającego atom

4. Skaningowa mikroskopia elektronowa - opis wykorzystywanego zjawiska, rodzaj uzyskiwanej informacji, zalety i wady w porównaniu z SPM

Istota mikroskopii skaningowej jest skanowanie probki nanometrowa wiazka elektronow uformowana przez układ elektronooptyczny mikroskopu. Wiazke taka formuje układ soczewek elektronowych. Powiekszenie mikroskopu skaningowego wynika z relacji wielkości obszarow skanowanych na probce i na monitorze.

Uzyskiwane informacje: topografia powierzchni, analiza stanu powierzchni materialow

5. Dyfrakcja elektronów - opis wykorzystywanego zjawiska, rodzaj uzyskiwanej informacji

Dyfrakcja czyli ugiecie wiazki elektronow wnikających w material o strukturze krystalicznej, wynika z falowej natury tej wiazki. Czesc elektronow przechodząc przez cialo o budowie krystalicznej, ulega zjawisku dyfrakcji i tworzy pewna liczbe wiazek ugiętych. Elektrony, które nie ulegly dyfrakcji tworza wiązkę nieugieta. Dyfrakcja nie tylko odgrywa istotna role w tworzeniu obrazu mikroskopowego ale pozwala także na utworzenie obrazu dyfrakcyjnego, który można oglądać i rejestrowac

6. Technologie wytwarzania nanostruktur „top-down”

1. Ogólna charakterystyka, rodzaje

Redukowanie wymiarow, rozdrobnienie czastek. Metody fizyczne: technologia ciala stalego, miniaturyzacja, proste metody jednostkowe.

Mielenie: Gruboziarnisty material w formie proszku jest rozdrabnianiy miedzy dwoma obracającymi się zarnami ze stali lub weglika wolframu. Proces odbywa się bez dostępu powietrza. Duze odkształcenie plastyczne prowadzi do powstania nanostruktury

2. Techniki mikro- i nanolitografii

Pokrycie podloza substancja ochronna

Naniesienie kształtu jaki ma przyjąć nanostruktura: fotolitografia, wytrawienie wzoru na emulsji za pomoca skoligowanej wiazki elektronow

Przeniesienie wzoru z warstwy ochronnej na podloze: trawienie chem lub plazmowe, osadzanie cienkich filmow

3. Fotolitografia

Uzywa się promieniowania UV,X, elektronow lub jonow; miedzy źródłem promieniowania a pokrytym podlozem umieszcza się fotomaske, która przepuszcza promieniowanie w miejscach gdzie ma powstac nanostruktura; można tez wytrawic wzor na emulsji wiazka elektronow, lub promieniowania X

4. Miękka litografia

Warstwa ochronna deformowana forma lub skalpelem do gotowych form wlewa się polimer, który jest utwardzany, stemple mogą zostac latwo oddzielone od formt. Pozwala pokonac ograniczenie rozdzielczości, tańszy proces

5. Trawienie

7. Technologie wytwarzania nanostruktur „bottom-up”

1. Osadzanie z fazy gazowej

Do tworzenia cienkich filmow, układow wielowarstwowych, nonorurek, nanopretow lub czastek o wielkości nanometrycznej

2. Epitaksja z wiązki molekularnej (MBE)

Epitaksja z wiazki molekularnej w reaktorze z komora prozniowa o bardzo wysokiej prozni, otrzymuje się z warstwy rzedu 0,3 nm, uzywa się pierwiastkow o duzej czystości,otrzymuje się ta metoda półprzewodnikowe studnie kwantowe, nadstruktury, druty kwantowe, metaliczne i magnetyczne materialy wielowarstwowe

3. Metody wykorzystujące fazę ciekłą

Termiczne natryskiwanie struga rozpylonej cieczy skladajaca się ze stopionych czastek nakładanego materialu, po osadzeniu cieczy na podlozu dochodzi do szybkiej krystalizacji. Dzielimy na: natryskiwanie plazmowe, natryskiwanie z plomienia, natryskiwanie HOVF

4. Samoorganizacja molekularna

Łaczenie się czastek w agregaty o określonej strukturze, kule lub prety lacza się w struktury o najciaśniejszym upakowaniu, osadzenie materiałów na strukturze która przeszla samoorganizacje, samoorganizacja monowarstw przez reakcje z odczynnikami i dzialanie promieniowania, samoorganizacja kropek kwantowych dzieki 3D epitaksji z wiazki molekularnej na podlozu niedopasowanym sieciowo osadzany material wzrasta w postaci wysp

8. Modelowanie i symulacje molekularne

1. Mechanika molekularna - pola siłowe, rodzaje obliczeń, zalety i ograniczenia

Podstawa teoretyczna- fizyka newtonowska, czasteczka jest zespolem oddziałujących na siebie atomow, oddziaływanie można opisac za pomoca prostych funkcji analitycznych

Potencjaly oddziaływania- wiazan atomowych, katow wiazan, torsyjne, oddziaływań van der waalsa, wiazan wodorowych, oddziaływań elektrostatycznych

Rodzaje obliczen: single point, geometry optimalization, molecular Dynamics, obliczenia orbital, gestosc ladunku, potencjal elektrostatyczny

Zalety: dodatek do istniejących lub uzyskiwanych danych eksperymentalnych. Zdolność przewidywania właściwości nanostruktur przed wykonaniem eksperymentow, zdolność przewidywania właściwości nanostruktur jeszcze nie wytworzonych, glowne źródło wiedzy w przypadku braku jakichkolwiek danych ekspe.

Ograniczenia:weryfikacje przez falsyfikacje- porównanie z danymi eksperymentalnymi, jeśli brak to sposoby pośrednie

Ograniczenia obliczeniowe w tym sprzetowe

2. Mechanika kwantowa - przybliżenia, rodzaje obliczeń, zalety i ograniczenia

Podstawa teoretyczna- rownanie Schrodingera-opis układu poprzez rownanie Schrodingera. Czasteczka jest zespolem oddziałujących ze soba jader atomowych i elektronow poruszających się zgodnie z prawami mechaniki kwantowej

Przyblizenia:

Niezaleznych elektronow

Przyblizenie Borna-Oppenheimera: jadra poruszaja się znacznie wolniej niż elektrony

Zalety: metody ab initio obliczaja wszystkie elektrony wliczając w to elektrony rdzenia atomowego, metody polempiryczne obliczaja tylko elektrony walencyjne, natomiast elektrony rdzenia brane SA pod uwage w sposób posredni, teoria funkcjonałów gęstości - nie okresla się funkcji falowej tylko tzw. Funkcjonal gęstości elektronowej

9. Nanorurki węglowe - charakterystyka, zastosowania

Fulereny - czasteczki tworzące krysztal SA ogromnymi i pustymi wewnątrz, symetrycznymi wielościanami składającymi się z kilkudziesięciu do kilkuset atomow wegla. Sposoby otrzymywania: bombardowanie promieniowaniem laserowym obracającej się tarczy grafitowej w strumieniu helu, metoda plomieniowa

Zastosowanie: przylaczane do polimerow, sfunkcjonalizowanie na powierzchni i laczone, wewnątrz fulerenow zamykane atomy pierwiastkow

Zwiniety grafen- Jednoscienne(srednica 1-2nm) i wielościenne

Nie tylko weglowe, np. z tlenku wanadu, tlenku tytanu, tlenku magnezu

Sposoby otrzymywania: odparowanie laserowe, wyladowanie lukowe, chemiczne osadzanie z fazy gazowej

Zastosowanie: olbrzymia wytrzymałość na rozciaganie, znikome tarcie miedzy warswami, bardzo duze przewodnictwo elektryczne, bardzo duze przewodnictwo termiczne wzdłuż i slabe w poprzek

10. Zastosowania nanotechnologii w medycynie, stomatologii, kosmetyce, rolnictwie i przemyśle spożywczym.

11. Zastosowania nanotechnologii w farbach i pokryciach, środkach smarnych, przemyśle maszynowym, przemyśle samochodowym i w innych przemysłach (meblarski, włókienniczy, skórzany, etc.).

12. Zastosowania nanotechnologii w elektronice, optyce, lotnictwie i technice wojskowej.

---