Metody otrzymywania nanostruktur. Wydział Technologii Materiałowych i Wzornictwa Tekstyliów Adrian Izydorczyk WICH 127882 Metody otrzymywania nanostruktur.

Top down – redukowanie wymiarów, rozdrobnienie cząstek. Bottom-up – budowanie od podstaw (atom po atomie).

Technika wykorzystywana na dużą skalę. Top down Mielenie: Gruboziarnisty materiał w formie proszku jest rozdrabniany między dwoma obracającymi się żarnami ze stali lub węglika wolframu. Proces odbywa się bez dostępu powietrza. Duże odkształcenie plastyczne prowadzi do powstania nanostruktury. Technika wykorzystywana na dużą skalę.

Przykłady procesów mielenia powodujące duże odkształcenie plastyczne: Skrawanie Walcowanie na gorąco i na zimno Przeciąganie Cykliczna deformacja Przeciskanie przez kanał kątowy Skręcanie pod wysokim ciśnieniem Cyklicznie wyciskanie skręcające Wyciskanie hydrostatyczne

Top down Litografia – pokrycie podłoża substancją ochronną (rezitem), na którą nanosi się kształt, jaki ma przyjąć nanostruktura. Fotolitografia – używa się promieniowania UV, X, elektronów lub jonów; między źródłem promieniowania, a pokrytym podłożem umieszcza się fotomaskę, która przepuszcza promieniowanie w miejscach, gdzie ma powstać nanostruktura; można też wytrawić wzór na emulsji wiązką elektronów, jonów lub promieniowania X; na rezicie osadza się substrat lub maska w procesie trawienia.

Próby uzyskania rezitu z samoorganizujących się monowarstw. Technika stosowana w przemyśle półprzewodnikowym do wytwarzania układów scalonych, urządzeń optoelektronicznych, wyświetlaczy i układów do zapisu danych. Szybka technika. Zdolność rozdzielcza ograniczona przez długość fali użytego promieniowania i ograniczeń związanych z budową układu optycznego, użytego do projekcji wzoru na fotomasce.

Pozwala pokonać ograniczenie rozdzielczości. Tańszy proces. Miękka litografia – warstwa ochronna deformowana formą lub skalpelem, do gotowych form wlewa się prepolimer, który jest utwardzany, stemple mogą zostać łatwo oddzielone od formy. Pozwala pokonać ograniczenie rozdzielczości. Tańszy proces. Płynięcie plastyczne polimeru, z którego zbudowany jest stempel.

Stosuje się drukarki atramentowe (w skali mikronowej). Indukowana samoorganizacja – maska jest użyta do formowania się układu kolumn z cienkiego filmu polimerowego osadzonego na podłożu. Drukowanie na podłożu samoorganizujących się monowarstw – przeniesienie tuszu na podłoże stemplem, na którym wytrawiany jest wzór. Stosuje się drukarki atramentowe (w skali mikronowej).

Top down Obróbka – wytwarzanie obiektów trójwymiarowych: Wykorzystanie zogniskowanej wiązki jonów (FIB). Wykorzystanie laserów dużej mocy. Stosowana dla związków nieorganicznych.

Bottom-up Metody osadzania z fazy gazowej – do tworzenia cienkich filmów, układów wielowarstwowych, nanorurek, nanoprętów lub cząstek o wielkości nanometrycznej. Osadzanie fizyczne (PVD) – materiał stały przechodzi w gaz, następuje jego chłodzenie i zachodzi osadzanie na podłożu. Osadzanie chemiczne (CVD) – osadzanie na podłożu produktów reakcji w temperaturze od 500-1000oC substancji będących w fazie gazowej; sposobem tego osadzania jest piroliza aerozoli w reaktorze przepływowym.

Metody PVD: Termiczne odparowywanie Ablacja laserowa lub osadzanie za pomocą impulsów laserowych Obróbka elektroiskrowa Rozpylanie

Rozprężanie fazy gazowej

Bezpośrednia kondensacja fazy gazowej

Otrzymuje się czystsze materiały. Bottom-up Procesy osadzania wspomagane plazmą – wprowadzanie plazmy (zjonizowanego gazu) do środowiska, w którym prowadzi się osadzanie z fazy gazowej, zachodzą procesy niemożliwe do uzyskania metodami PVD i CVD. Otrzymuje się czystsze materiały.

Stałoprądowe wyładowanie jarzeniowe

Rozpylanie magnetronowe

Próżniowe osadzanie z łuku elektrycznego

Bottom-up MBE i MOVPE (wymagają wysokiego poziomu bezpieczeństwa) MBE – epitaksja z wiązki molekularnej w reaktorze z komorą próżniową o bardzo wysokiej próżni, otrzymuje się warstwy rzędu 0,3nm, używa się pierwiastków o dużej czystości, otrzymuje się tą metodą półprzewodnikowe studnie kwantowe, nadstruktury, druty kwantowe, metaliczne i magnetyczne materiały wielowarstwowe. Niezbyt duża szybkość osadzania (1µm/h).

Jest kilka sposobów wzrastania warstw, zależnych od: Rodzaju podłoża Temperatury Szybkości reakcji

Większa szybkość osadzania niż z MBE. MOVPE – epitaksja z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych. Pierwiastki doprowadzone są do środowiska reakcji w formie związków w fazie gazowej, substraty przepływają nad rozgrzanym podłożem ulegając rozpadowi i wchodzą w reakcje prowadzące do osadzenia warstwy. Większa szybkość osadzania niż z MBE. Wykorzystywana do produkcji cienkich półprzewodnikowych warstw i laserów oraz studni kwantowych.

Bottom-up Metody wykorzystujące fazę ciekłą – termiczne natryskiwane strugą rozpylonej cieczy składającą się ze stopionych cząstek nakładanego materiału, po osadzeniu cieczy na podłożu dochodzi do szybkiej krystalizacji. Natryskiwanie plazmowe Natryskiwanie z płomienia Natryskiwanie HOVF Wykorzystywana do produkcji powłok nanokrystalicznych z nanokrystalicznych proszków, pręcików lub innych nanomateriałów z mielenia lub wytrącania.

Bottom-up Metody koloidalne – wytrącanie z roztworu cząstek o wielkości nanometrycznej, które tworzą zol, układy koloidalne podlegają agregacji, koloidy można przetwarzać na wiele sposobów: Wytrącić na ich powierzchni kolejny związek (powstają nanoczastki z rdzeniem i otoczką). Układy koloidalne można osadzać na podłożu (powstają kropki kwantowe oraz układy 2D i 3D). Koloidy można wytwarzać w objętości innych materiałów (powstają nanokompozyty). Metody proste i niedrogie. Wykorzystywane do produkcji nanokryształów metali i półprzewodników. Układy koloidalne starzeją się.

Bottom-up Metody zol-żel – reakcje chemiczne prowadzące do zmiany zolu w żel, zajmujący tę samą objętość, następnie suszenie, powstaje sztywne ciało amorficzne, stosuje się spiekanie w dużej temperaturze, w wyniku czego powstaje materiał o dużej gęstości, ale temperatury nie mogą być zbyt wysokie, bo nastąpi duży rozrost ziaren. Duża czystość i jednorodność nanostruktur. Wykorzystywane do produkcji nanotlenków metali.

Bottom-up Osadzanie elektrolityczne – wywołanie reakcji chemicznych między elektrolitami przez przyłożenie zewnętrznego napięcia, do zajścia procesu potrzebne jest przewodzące podłoże, szybkość osadzania kontroluje się przez zmianę prądu. Otrzymuje się tak materiały nanostrukturalne z metali, tlenków metali lub soli pozostałych tlenowców. Tania metoda. Prowadzona w niskich temperaturach. Wykorzystywana do produkcji materiałów wielowarstwowych.

Metody kontrolowanego wzrostu nanostruktur: Osadzanie na krysztale związków organicznych, możliwe wymycie albo wypalenie szablonu. Wytrącanie substancji w osnowie z kwasu, która kontroluje wzrost cząstek. Kryształy półprzewodnikowe mogą powstawać zatopione w szkle przez wprowadzenie pierwiastków do roztopionego szkła krzemianowego, które odlewa się i wygrzewa poniżej Tt, a nanokryształy tworzą się w gęstej osnowie. Porowate szkło z metody zol-żel wypełnia się w niskiej temperaturze roztworem z reagentami, z roztworu wytrącają się kryształy, których wielkości zależy od wielkości porów w szkle.

Tworzenie nanocząstek w osnowie krystalicznej (powstają zeolity - glinokrzemiany). Nanodruty mogą zostać stworzone na mice lub plastykowym szablonie, w których były uformowane ścieżki wiązką cząstek. Wzrost przez osadzenie elektrolityczne (na krawędzi powstają nanodruty kilku nm).

Wzrost w układach samoorganizujących się (układy, micele; mikroemulsje; pęcherzyki).

Uporządkowanie nanoukładów. Nanocząstki mogą oddziaływać między sobą, wykazując uporządkowanie: dalekiego zasięgu, translacyjne, orientacyjne. Wpływa to na właściwości elektryczne nanomateriałów. Wytwarzanie wielowarstwowych i wieloskładnikowych układów przez epitaksjalny wzrost z wiązki molekularnej. Metody, w których materiał jest trawiony. Dzięki użyciu skaningowych mikroskopów tunelowych możliwe jest utworzenie na powierzchni materiału kwantowych płotów, zagród, liczydeł.

Samoorganizacja: Łączenie się cząstek w agregaty o określonej strukturze. Kule lub pręty łączą się w struktury o najciaśniejszym upakowaniu. Osadzanie materiałów na strukturze, która przeszła samoorganizację. Samoorganizacja monowarstw przez reakcje z odczynnikami i działanie promieniowania. Samoorganizacja kropek kwantowych dzięki 3D epitaksji z wiązki molekularnej na podłożu niedopasowanym sieciowo, osadzany materiał wzrasta w postaci wysp.

Struktury metaliczne przez osadzanie elektrolityczne na samoorganizujących się kulkach PS, kulki te są rozpuszczane.

Dziękuje za uwagę