Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 20 – vyšlo 9. května, ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

20/2008

Nanovodiče

Vítězslav Kříha

V tomto článku se zaměříme na možnosti, které nabízejí nanovodiče. Zmenšování osově symetrických vodivých elementů do rozměrů řádově desítek nanometrůNanometr – tisícina mikrometru, jednotka používaná zejména ve fyzice pevných látek. Je to jednotka srovnatelná s meziatomovou vzdáleností v krystalické mříži. umožňuje vytváření komplexních struktur několika možnými cestami:

Nanofyzika – obor fyziky, zabývající se vlastnostmi látky v nanometrových měřítcích. Spadá do fyziky pevných látek. O možnosti manipulovat s jednotlivými atomy v nanometrových měřítcích poprvé uvažoval Richard Feynman v roce 1959. Nanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů. Nanovodiče – válcové vodivé prvky submikronových průměrů, tj. v desítkách či stovkách nanometrů.

I. Zdroje energie na bázi koaxiálních p-i-np-i-n – z anglické zkratky positive-intrinsic-negative. Polovodičová struktura tvořená p typem polovodiče, vlastním polovodičem a n typem polovodiče. nanostruktur

Vývoj solárních článků je motivován jednak snahou o širší využití těchto obnovitelných zdrojů energie, jednak při současné miniaturizaci představují zajímavou možnost integrovaných zdrojů napájení mikroelektronických a nanoelektronických zařízení. Přechod do submikronových rozměrů jednotlivých článků je cílen jak na snížení pořizovacích nákladů i rozměrů výsledných zdrojů energie, tak i na zvýšení účinnosti fotovoltaické konverzeFotovoltaický jev – vznik elektrického napětí při dopadu světla na rozhraní dvou materiálů. Jevu lze využít ke konstrukci fotovoltaického článku. Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 Alexandr Edmond Becquerel (1820–1891) spolu se svým otcem Antoine Césarem Becquerelem (1788–1878)..

Výzkumná skupina profesora Charlese Liebera z Harvardské univerzity vyvinula solární p-i-np-i-n – z anglické zkratky positive-intrinsic-negative. Polovodičová struktura tvořená p typem polovodiče, vlastním polovodičem a n typem polovodiče. článek s koaxiálním uspořádáním nanostruktur s účinností energetické přeměny 3,5 % a výstupním výkonem 200 pW na článek. Proudová hustota při zapojení nakrátko dosahovala až 2,4 mA/cm². Při zvýšení osvětlení na trojnásobek solární konstantySolární konstanta – množství sluneční energie dopadající kolmo na 1 m² povrchu za sekundu mimo atmosféru Země. Hodnota sluneční konstanty je 1,4 kW/m². Jde o malou část celkového slunečního výkonu, který je 4×10²⁶ W. se účinnost v průměru zvýšila na 4,1 % a při pětinásobku až na 4,5 %.

Průměr článku byl zhruba 300 nm, osový vodič byl tvořen p-polovodičem, sestávajícím z křemíkovéhoKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). monokrystalu dopovaného boremBor – Borum, nejlehčí z III. hlavní skupiny prvků. Svými vlastnostmi leží na hranici mezi kovy a nekovy. Byl izolován roku 1808 sirem Humphry Davyem, Gay-Lusacem a L. J. Thénardem v nepříliš vysoké čistotě a teprve roku 1824 ho Jakob Berzelius označil za samotný prvek. Využívá se v metalurgii a sklářském průmyslu. vypěstovaného metodou VLSVLS – Vapor-Liquid-Solid, metoda pěstování monokrystalických nanovláken. Na substrátu monokrystalického křemíku se roztaví například zlatý terčík, který vytvoří taveninu směsi zlata s křemíkem v rozměrech požadovaného vlákna. Další nárůst vlákna probíhá v atmosféře ochranného plynu, nejčastěji vodíku spolu s parami sloučeniny křemíku (hydridu či chloridu křemičitého). Příměsí jiných par v požadované koncentraci (například hydridu boritého či fosforečného) lze pěstovat příměsné polovodiče. Změnou teploty a/nebo tlaku lze dosáhnout ukončení růstu monokrystalu, přičemž z plynné fáze se mohou na monokrystalu začít vytvářet koaxiální polykrystalické vrstvy.. Střední vrstva vlastního polovodiče byla tvořena polykrystalickým křemíkem s nanokrystalickými zrny v tloušťce 30÷80 nm a vnější plášť n-polovodiče byl opět na bázi nanokrystalického křemíku, avšak dopovaného fosforemFosfor – Phosphorus, nekovový chemický prvek, poměrně hojně se vyskytující v zemské kůře, který má zároveň důležitou roli i ve stavbě živých organizmů. Historicky byl fosfor poprvé izolován německým alchymistou Heningem Brandtem v roce 1669. Elementární fosfor se vyskytuje ve třech modifikacích – bílý, červený a černý fosfor.. Celý článek byl kryt vrstvou oxidu křemičitého naneseného pomocí technologie PECVDPECVD – Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, plazmatické napařování tenkých vrstev z plynné fáze na pevný substrát. V důsledku chemických reakcí v plazmatu elektrického výboje dochází k usazování požadované sloučeniny na substrát. Například pro vytvoření vrstvy oxidu křemičitého hoří výboj ve směsi silanu a kyslíku..

Schéma nanovodiče tvořeného osovým p-polovodičem (fialově), vrstvou vlastního polovodiče (žlutě) a pláštěm z n-polovodiče (tyrkysově) krytého oxidem křemičitým (zeleně). Zdroj: Lieber Research Group, Harvard University.

Snímky z elektronového mikroskopu TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů. s vyznačením struktur a v umělých barvách.  Zdroj: Lieber Research Group, Harvard University.

Schéma a TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů. snímek nanovodiče s odleptanými vrstvami polykrystalického křemíku a obnaženým osovým p-vodivým vláknem.  Zdroj: Lieber Research Group, Harvard University.

Schéma a TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů. snímek realizace kontaktů n- a p- polovodivých struktur s vodivými přívody.  Zdroj: Lieber Research Group, Harvard University.

II. pH metrie na bázi koaxiálních p-i-np-i-n – z anglické zkratky positive-intrinsic-negative. Polovodičová struktura tvořená p typem polovodiče, vlastním polovodičem a n typem polovodiče. nanostruktur

Malou modifikací výše uvedeného zařízení lze vyrobit senzor pH. Vnější vrstva oxidu křemičitého je modifikována 3-aminopropyltriethoxysilanem. Při osvětlení odpovídajícímu osminásobku solární konstantySolární konstanta – množství sluneční energie dopadající kolmo na 1 m² povrchu za sekundu mimo atmosféru Země. Hodnota sluneční konstanty je 1,4 kW/m². Jde o malou část celkového slunečního výkonu, který je 4×10²⁶ W. se napětí reverzibilně mění úměrně pH roztoku.

III. detekce chemických a biologických agens pomocí NW FETNW FET – NanoWire Field-Effect Transistor, unipolární tranzistor, tranzistor řízený polem, založený na nanovodičích. Řídící elektroda, hradlo, je realizována pomocí nanovodiče.

Polem řízené tranzistory s elektrochemicky regulovaným hradlem realizovaným pomocí nanovodičeNanovodiče – válcové vodivé prvky submikronových průměrů, tj. v desítkách či stovkách nanometrů. s navázanou protilátkouProtilátka – bílkovina, zaměřená proti cizorodé látce v organismu. Jejím úkolem je navázat se na specifický antigen a buď usnadnit jeho pohlcení buňkami imunitního systému, nebo svým navázáním přerušit škodlivé působení antigenu, případně spolu s antigenem vytvořit větší nerozpustný celek. Pod vlivem jednoho antigenu se může najednou tvořit více protilátek, neboť se mohou vázat na různá místa antigenu. Vazebná místa antigenu a jemu příslušející protilátky do sebe zapadají jako klíč do zámku, obecně tedy daná protilátka reaguje pouze na zcela určitý antigen. jsou velice zajímavé z hlediska diagnostiky specifických antigenůAntigen – látka, kterou imunitní systém rozpozná jako cizorodou a reaguje na ni. Mohou to být rozpustné (solubilní) molekuly, například toxiny, nebo částice, například bakterie nebo viry. V tomto případě se jako antigeny chovají obvykle molekuly vázané na jejich povrch, jako jsou například bakteriální pouzdra nebo lipopolysacharidy. Antigeny mohou být proteiny, polysacharidy i nukleové kyseliny. i chemických látek a jejich realizace může do budoucna znamenat široké komerční využití nanovodičů. Možnosti uplatnění jsou v detekci jediné částice bez potřeby předchozí výroby jejích kopií, mimořádně citlivém stanovení bílkovin spojených se zhoubným bujením, při určování stopových množství chemických a biologických zbraní, rutinních vyšetřovacích metodách v klinickém i soudním lékařství, detekci otrav či zneužívání návykových látek a velkoplošném záchytu rizikových faktorů v preventivním lékařství.

Místo závěru: Perspektivy nanovodičů

Animace týdne: Virus a nanovodičový senzor

Virus a nanovodičový senzor. Výzkum na pomezí nanovědy a biologie může způsobit zásadní vědecké objevy i vznik revolučních technologií. Obě vědní disciplíny pracují s podobnými rozměrovými škálami a zabývají se organizací složitých systémů zdola. V animaci vidíte virus vázaný na senzorové pole. Nanovodičové senzory mohou převádět přítomnost či nepřítomnost biologických a chemických entit na elektronickou informaci. Stávají se tak prostředky pro vytvoření přirozeného rozhraní mezi biologickými a nanoelektronickými systémy. Zdroj: Lieber Research Group, Harvard University. (avi, 5 MB)

Odkazy