Mechanismen - EE
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Mat er ials Science & Technology Nanotechnologie in der Elektronik Günter Grossmann EMPA Dübendorf / Schweiz Inhalt Was ist ein Nanometer Mechanismen Beispiele Nahe Zukunft Zusammenfassung Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 2 Was ist ein Nanometer 1 nm = 1/1000‘000‘000 m = 1/ 100‘000 Haardicke Viren auf einer Zelloberfläche Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 3 Grössenskala Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 4 Mechanismen Diffusion Durch thermische Bewegung Zufällige Bewegung von Teilchen Durch Konzentrationsunterschied 1 2 t= x e 4K2D Q RT Distanz x im Quadrat. Temperatur T im Exponenten Verhalten ist stark nichtlinear t = Zeit X = Distanz K = Konzentration von A in B Q, R = Konstanten T = Temperatur in K Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 5 Elektrische Leitfähigkeit Mikroskopisch (Dünne Schichten) Makroskopisch R=ρ l A Schichtdicke Die Mikrostruktur von dünnen Schichten ist durch Defekte wie Gitterdefekte oder Korngrenzen gekennzeichnet. Wärmebehandlung Quelle: Sven Breitkopf, Jena In einer Makrostruktur ist die Defektdichte in der Regel so klein, dass sie die Leitfähigkeit nicht beeinflusst Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, Der Gleichstrom muss diese schlecht leitenden Korngrenzen und Defekte in Reihe zu den Körnern durchqueren, während hochfrequenter Wechselstrom hauptsächlich innerhalb der Körner fließt (Korngrösse <--> Frequenz) 6 Mechanische Eigenschaften (100) Zinn (111) Gold 0.6nm 0.3nm Silizium 0.4nm 0.55nm 0.4nm 0.55nm Mechanische Eigenschaften hängen davon ab, wie die Kristallzelle relativ zu ihrer Geometrie belastet wird. Symmetrische Zellen (z.B. Gold) sind zeigen diesen Einfluss weniger als unregelmässige Kristalle wie Zinn oder Silizium. Die Grösse von Einheitszellen in kristallinen Stoffen beträgt ca. 0.5nm. Das bedeutet, dass Strukturen im Bereich von 1- 10nm, die aus wenigen Kristall- Lagen bestehen, je nach Belastungsrichtung unterschiedliche Eigenschaften zeigen (Anisotropie). Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 7 Geometrie Schmelzpunktreduktion Volumen einer Kugel 4 π r3 3 V= Oberfläche einer Kugel 3 A = r V TM = Schmelztemperatur Partikel TMB = Schmelztemperatur Makroskopisch σ = Grenzflächenenergie d = Partikeldurchmesser Hf = Schmelzenthalpie ρ = Dichte A = 4πr2 Verhältnis Oberfläche zu Volumen einer Kugel r = 10 nm 300000 Berechneter Schmelzpunkt von Aluminiumpartikeln A/V 250000 200000 Quelle: M.Kreth Uni Duisburg 150000 100000 50000 r = 100 nm 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Radius (mm) Je kleiner die Struktur desto mehr Oberflächenatome Lagerfähigkeit von Lötpasten Paste Typ 4: 20- 38µm 7°C 6 Mo 25°C 2 Wo Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 8 Polarisation Ein räumliche Welle kann als Summe von 2 Ebenen Wellen betrachtet werden Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, Moleküle oder Kristalle lassen eine Wellenrichtung durch oder blockieren sie, je nachdem wie sie relativ zur Wellenrichtung stehen Eine Welle kann auch in einer anderen Polarisationsrichtung reflektiert werden als sie einfällt 9 Quantenphysikalische Effekte Kurze Geschichte Isaak Newton 1637 Doppelspaltexperiment, Licht hat Wellennatur. Licht ist Partikel und Welle Friedrich Wilhelm Herschel 1800 Entdeckung der Infrarotstrahlung Gustav Kirchhoff 1859 Zusammenhang Temperatur- Wellenlänge Temperatur Licht besteht aus Partikeln, die sich im Raum bewegen Thomas Young 1802 Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 10 P A T σ S=kBlnΩ Ω = Leistung = Strahlende Oberfläche = Temperatur = Stefan- Boltzman Konstante Strahlungsintensität in Funktion der Wellenlänge Wien'sches Strahlungsgesetz 6.00E+09 1000 800 600 5.00E+09 4.00E+09 3.00E+09 2.00E+09 1.00E+09 0.00E+00 0 2 4 6 8 10 Wellenlänge [um] Modell ergibt falsche Werte im Infrarotbereich. Wurde ursprünglich aufgrund von Streuungen in der Messung nicht bemerkt Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, Strahlungsintensität P = σ A T4 Strahlungsenergie in Funktion der Wellenlänge Thermodynamik Spezifische Ausstrahlung [W/m^ 2 um] Strahlungsgleichung Wilhelm Wien 1896 Modell ist falsch „Ultraviolettkatastrophe“ Josef Stefan Ludwig Boltzmann 1879 John William Strutt, 3. Baron von Rayleigh 1900 Wellenlänge 11 Max Planck 14. Dezember 1900 Theoretische Herleitung des Strahlungsgesetzes Vorgestellt bei einer Sitzung der Preussischen Akademie der Wissenschaft Albert Einstein 1905 Lichtquantenhypothese - Licht tritt in der Form von einzelnen Quanten auf - Demnach besteht elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz ν aus teilchenartigen Objekten - Die Quanten können nur diskrete Energiewerte annehmen (Quantelung) E = hν ν h = 6.626 10-34 Js = Hilfsgrösse, experimentell ermittelt Die Formel gilt nur wenn die Strahlung in Energiepaketen emittiert wird Dies als Eigenschaft der der Strahlungsquelle - Erklärung des photoelektrischen Effekts - Begründung des Wellen- Teilchen Dualismus von Licht. Materie ist ein Spezialfall der Energie: E = mc2 Keinem der Anwesenden war die Tragweite der vorgestellten Resultate bewusst Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 12 Louis-Victor de Broglie 1924 Wellennatur des Elektrons Materiewellen Masse hat Welleneigenschaften E = mc2 E = hν Erwin Schrödinger 1925 Werner Karl Heisenberg 1927 Beschreibung der Wellenfunktion und ihrer zeitlichen Entwicklung Unschärferelation Zwei Eigenschaften einer Gesamtheit von Teilchen sind nicht immer gleichzeitig beliebig genau messbar ν = mc2 / h λ = h / mν ν 1.5 1 0.5 0 0 200 400 600 800 1000 -0.5 -1 -1.5 Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, τ1 τ2 τ1 : Definierte Stelle im Signal wo gemessen wird aber keine Aussage über die Frequenz τ2 : Aussage über die Frequenz aber keine Ortsauflösung im Signal 13 Mechanismen Ein Quantenobjekt hat im Allgemeinen keine Eigenschaften, vielmehr entstehen Eigenschaften erst im Moment und im speziellen Kontext der Durchführung einer Messung. Schrödingers Katze Versuchsablauf: - Das Isotop zerfällt zufällig in einem Zeitbereich t0- t unter Abgabe eines Röntgenquants - Der Geigenzähler detektiert den Zerfall und öffnet denBehälter - Damit stirbt die Katze Behälter mit Giftgas Geigenzähler mit zerfallendem Isotop Im Zeitbereich t0- t kann, ohne öffnen des Kastens (Messung), nicht gesagt werden ob die Katze lebt Die Katze ist in t0- t also quantenphysikalisch gesehen lebend und tot Erst durch das Öffnen des Kastens kann gesagt werden in welchem Zustand sich die Katze befindet Die Zeitentwicklung eines Zustands sollte genau berechenbar erfolgen (Schrödinger) Aber: Die Messergebnisse sind nur statistisch vorhersagbar (Heissenberg) => Die Reihenfolge einer Messung kann das Messergebnis beeinflussen Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 14 Quantenmechanik ist eine statistische Theorie. Das bedeutet, dass quantenmechanische Effekte bei einem Teil einer Gesamtheit auftreten, nicht aber bei jedem einzelnen Objekt. Elektronen und auch Moleküle zeigen Beugungsbilder im Doppelspaltexperiment, die für Wellen charakteristisch sind. Dies gilt aber nicht für ein einzelnes Teil sondern für eine Gesamtheit. Aufbau von Interferenzbildern durch Elektronenbeugung am Doppelspalt Die Welleneigenschaft kann auch als Aufenthaltswahrscheinlichkeit interpretiert werden. Dabei erstreckt sich z.B. die AufenthaltsWahrscheinlichkeit eines Elektrons in der äusseren Schale eines Atoms theoretisch unendlich weit, strebt dabei aber gegen 0. Orte mit 90% Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons In der Quantenwelt können zwei oder mehr Teilchen so eng miteinander verknüpft sein, dass man sie nicht unabhängig voneinander beschreiben kann. Diese Teilchen befinden sich dann in einem gemeinsamen verschränkten Zustand. Mit einem Kristall können aus einem Photon zwei voneinander abhängige Photonen erzeugt werden. So legt die Polarisation des einen Photons diejenige des anderen Photons fest. Diese Polarisation wird aber erst bei der Messung festgelegt sie entsteht nicht beim Entstehen des Photonenpaars. Dies gilt auch bei beliebig räumlich getrennten verschränkten Systemen. Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 15 Beispiele Zinnschichten auf Kupfer Wachstum von intermetallischen Phasen durch Diffusion Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 16 Herstellung von Halbleitern. 1- 2nm ^ = 3- 10 Atomlagen Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, Halbleitereigenschaften sind quantenphysikalisch bedingt 17 Leckstrom durch das Gateoxid durch Tunneln der Elektronen Wenn ein Signifikanter Teil der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons über das Gateoxid hinweg reicht kann ein Teil des Elektrons die Isolationsbarriere überwinden. Das bedingt aber, dass die Barriere sehr dünn ist (<2nm), da die Wellenfunktion sehr schnell abfällt. Normales Schaltverhalten eines Transistors Leckstrom Quelle: Wikipedia Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 18 Solarzelle Photoelektrischer Effekt Nobelpreis für Physik A. Einstein 1921 Energie Durch die Überlagerung der Wellenfunktionen von Elektronen und dem einfallenden Licht wird das Elektron vom Valenzband (ans Atom gebunden) in das Leitungsband (frei) gehoben 2.5 Wellenfunktion Licht Wellenfunktion Elektron 2 Anregung 1.5 1 0.5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 19 LASER Durch eine extern Anregung werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben und fallen unter Abgabe eines Photons auf das Ursprüngliche Energieniveau zurück 50nm Die emittierten Photonen werden an Spiegeln reflektiert, durchlaufen den Laser und regen auf ihrem Weg wieder Elektronen an. Durch diese Rückkoppelung bauen sich stehende Wellen zwischen den Spiegeln auf. Nach Erreichen einer Energieschwelle tritt ein Teil der Photonen durch einen der Spiegel aus. Spiegel 150nm Medium Spiegel Querschnitt durch eine Laserdiode Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 20 Elektrisch leitende transparente Schichten Spezifischer Widerstand von ITO Schichten 600 Spez. Widerstand [Ohm/cm) 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Schichtdicke [nm] Flüssigkristall- Anzeige (LCD) - Polarisierung des Lichts abhängig von der Orientierung von Molekülen - Ausrichtung der Moleküle entlang einem elektrischen Feld Quelle: MERCK Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 21 Lötpaste Lötpaste soll beim Druck leicht deformierbar sein aber danach fest werden damit die Strukturen stabil stehen bleiben Tixotropie Bei zu langsamem Druck werden die Öffnungen der Schablone ungenügend gefüllt Zu schnelles Ablösen reisst die Depots mit Zu langsames Ablösen erzeugt Zipfel Schwache Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen im Nanometermassstab Molekül mit asymmetrischer Ladungsverteilung Wasserstoffbrücke Van der Waals Bindung Dipolbindung Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, Molekül mit symmetrischer Ladungsverteilung 22 Nahe Zukunft Graphen Stahl ca. 200 GPa 3- 10 x 108 Pa Anwendungen Quelle Graphene Corporation Herstellung von Plättchen mittels Graphit- Stift und Klebeband - Einzel-Elektronen-Transistor (SET) - Transparente leitende Schichten - Schnelle FET - Verbundwerkstoffe Nanotubes Herstellung mittels selbstorganisierender Schichten auf Gold Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 23 Molekulare Elektronik Wechselwirkungen werden durch die Elektronenorbitale definiert Molekulare Elektronik Überlagerung von e- Orbitalen Quelle: U. Hartmann, Uni Saarland Anwendungen - OLED - E- Paper - Solarzellen - Gedruckte Schaltungen Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 24 Zusammenfassung 1 nm = 1 Millionstel Millimeter Virus = 25- 100 nm Viele Effekte die wir im Makromassstab beobachten haben ihre Ursache im Nanometerbereich Transistor: - Gatebreite ca. 50nm - Oxiddicke 1.5- 2 nm Je kleiner die Strukturen werden, desto wichtiger werden Quantenphysikalische Effekte Grosstechnisch hergestellte Nanostrukturen sind gegenwärtig flächiger Natur Empa, G.Grossmann, Mallorca 2011, 25
