1 / 48

KCH/NANTM

KCH/NANTM. Přednáška 11 Shrnutí. Definice základních pojmů. Nanoměřítko: 1.10 -9 m Nanostruktury: alespoň 1 rozměr < 100 nm Nanomateriály: základní strukturní jednotkou jsou nanostruktury Virus: 100 – 1 nm 1 nm – 3-4 atomy Nanotechnologie

babu
Télécharger la présentation

KCH/NANTM

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. KCH/NANTM Přednáška 11 Shrnutí

  2. Definice základních pojmů • Nanoměřítko:1.10-9 m • Nanostruktury:alespoň 1 rozměr < 100nm • Nanomateriály:základní strukturní jednotkou jsou nanostruktury • Virus: 100 – 1 nm • 1 nm – 3-4 atomy • Nanotechnologie • Aplikace znalostí nanovědy při vytváření materiálů, struktur a zařízení. • Schopnost práce na molekulární a atomové úrovni. • Výzkum látek s částicemi pod hranicí 100 nm. • Struktury materiálů na úrovni nanorozměrů. • „Výpočetní“ nanotechnologie

  3. Definice základních pojmů • 2 přístupy: • Top-down • Bottom-up • Nanomateriály (nanostrukturní materiály, nanočástice) • Stavební jednotka – nanočástice s definovanými vlastnostmi • Stavební jednotky uspořádané do makroskopických multiklastrových materiálů – vhodnější pro technické aplikace

  4. Definice základních pojmů Nanotechnologie v přírodě • Nanotechnologie nejsou „lidským výmyslem“ • Příroda využívá nanotechnologie od svého vzniku: • Každá chemická reakce • DNA • Proteiny • Koloidní roztoky

  5. Analytické metody v NT

  6. Mikroskopické metody

  7. Mikroskopické metody používané NT • Optická mikroskopie • Elektronová mikroskopie • SEM • TEM • Mikroskop atomárních sil (AFM) • Skenovací tunelový mikroskop (STM) • Skenovací sondový mikroskop (SPM) • Chemický silový mikroskop (CFM)

  8. Optická mikroskopie • Světelný (optický) mikroskop • Paralelní zařízení • Zvětšený obraz • Rozeznávání detailů • Přímo pozorovatelný/fotografovatelný obraz • Obraz je zvětšován dvěma sadami spojených čoček • Objektiv • Okulár • Největší zvětšení v obyčejném světle – 1500 x • Konstrukce • Objektiv • Okulár • Tubus

  9. Elektronová mikroskopie • Mnohem větší rozlišovací schopnost • U světelné mikroskopie limitována vlnovou délkou • Elektronová mikroskopie – často < 1 Å • Základní parametry • Pozorování a zvětšování velmi malých předmětů • Funkčně podobný světelnému mikroskopu • Použití svazku urychlených elektronů • Použití elektromagnetických čoček • Nevýhody • Vysoká pořizovací cena • Výhody • Velmi velké zvětšení (řádově 1.106 x) • Vysoké rozlišení (0,1 nm) • Velká hloubka ostrosti • Nejen topografie, ale i materiálové složení

  10. Elektronová mikroskopie • Transmisní (prozařovací, TEM) • Svazek elektronů prochází vzorkem • Průchod elektronů najednou • Fluorescenční stínítko • Ultratenké řezy (50 nm) • Skenovací (rastrovací, SEM, REM) • Povrchy „tlustých“ vzorků • Skenování (rastrování) povrchu po řádcích • Rastrovací-transmisní • Kombinace obou předchozích • Environmentální rastrovací • Nižší vakuum

  11. Skenovací sondové mikroskopie • Neoptické mikroskopie • SPM • AFM • STM • Zobrazení povrchu • Nutné kalibrace • Pohyb sondy v těsné blízkosti povrchu (několik nm) • Velmi jemný pohyb sondy pomocí piezokrystalu • Prodloužení či smrštění v závislosti na napětí • Možnost manipulace

  12. Skenovací sondové mikroskopie • Nepoužívá se pojem zvětšení • Nutná kalibrace rozměrů • Mechanická část • Stolek k upevnění vzorku • Polohovací zařízení • Sonda • Elektrická část • Napájení • Zpětná vazba • Sběr signálu • Ovládání pohybu • Tlumení mechanických vibrací

  13. Analytické metody v NT

  14. Rentgenová prášková difrakce • Studium krystalů • RTG záření • Pronikavost (roste s frekvencí) • Schopnost ionizace prostředí • Luminiscenční účinky • Fotochemické účinky • Biologické účinky • Spojité a Charakteristické záření • Detektory • Ionizační • Scintilační • Polovodičové • Fotografické

  15. XRD • Difrakce především na elektronech • Braggova rovnice

  16. Vibrační spektroskopie • Infračervená spektroskopie • Absorpce (800 nm – 1 mm) • NIR, MIR, FAR • Musí dojít je změně dipólmomentu – asymetrické molekuly • Typy vibrací • Fundamentální, overtony, horké přechody • Valenční, deformační • Instrumentace • Disperzní přístroje • FT přístroje • Měřící techniky • Na průchod • Odrazné

  17. Vibrační spektroskopie • Ramanova spektroskopie • Rozptyl (UV, VIS, NIR) • Rayleighův • Stokesův • Anti-stokesův • Změna polarizovatelnosti • Symetrické molekuly • Instrumentace • Disperzní přístroje • FT přístroje • Měřící techniky • Různé úhly zachycování záření

  18. Struktura a vlastnosti NM

  19. Struktura a vlastnosti NM • Struktura • Rozměr • Tvar • Atomová struktura • Krystalinita • Mezifázové rozhraní • Chemické složení • Rozměry • Molekuly – pevné částice < 100nm • Vlastnosti určeny charakteristickými znaky • Částice • Klastry • Dutiny • 1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru

  20. Struktura a vlastnosti NM • Závislost vlastností • Vlastnosti nanočástic • Uspořádání nanočástic • Vznik vnitřních struktur • Přístupy • Top – down • Fotolitografie v elektronice • Bottom – up • Dispergované a kondenzované systémy • Self-assembly

  21. Struktura a vlastnosti NM • Nanočástice • Nanostrukturní materiály • Nanstrukturní vrstvy

  22. Nanomateriály v polovodičích • Kvantové vrstvy • 2D systém • Třetí rozměr 1 - 3 nm • Kvantové drátky • 1D systém • Kvantové tečky • Kvantové klastry • Zvláštní struktura

  23. Self-assembly • Samouspořádání struktur • Souvisí s: • Van der Waalsovými silami (přitažlivé) • Coulombickými silami (odpudivé) • Vodíkové můstky • Hydrofilní/hydrofobní interakce • Pokles volné energie • Biologické struktury • Polymery • Slitiny • Samouspořádání při vzniku • Samoopravné materiály

  24. Metody přípravy NM

  25. Metody přípravy NM • Individuální přístup k různým materiálům • Výsledné struktury je vždy nutné analyzovat • Technonologie často spojována se vznikem polovodičových struktur • P/N přechod • Vytváření horizontálních struktur – litografie • Vytváření vertikálních struktur – epitaxe • Sol-gel metoda

  26. Litografie • Hromadné chemicko-fyzikální zpracování • Hladký povrch • Substráty • Si • Sklo • GaAs • Horizontálně členěné struktury • Členění: • EUV/RTG litografie • Fotolitografie • Elektronová litografie • Iontová projekční litografie • Reaktivní iontové leptání

  27. Epitaxe • Velmi často aplikovaná • Vertikální nanostruktury • Přesně kontrolovaná výstavba materiálů a povrchů • Křemíkový substrát • Dělení • Homoepitaxe – substrát i vrstva stejné makrosložení • Heteroepitaxe – různé makrosložení • Rheotaxe – Podložka je kapalina-tavenina, vrstva – tuhá • Grafoepitaxe – (diataxe, umělá epitaxe), substrát je amorfní (sklo) s upraveným povrchem

  28. Epitaxe • Typy • Z pevné fáze • Z kapalné fáze • Z plynné fáze • PVD • CVD • Epitaxe z molekulových svazků (MBE)

  29. Sol-gel metoda • Amorfní, amorfně-krystalické i krystalické materiály • Homogenizace výchozích složek v roztoku • Přechod Sol-gel • Zůstává zachována homogenita • 3 fáze • Příprava solu – nízkomolekulární prekurzory • Gelace solu • Odstranění rozpouštědla • Materiály s velkou variabilitou vlastností • Jemné prášky • Monolitická keramika a skla • Keramická vlákna • Anorganické membrány • Tenké filmy • Aerogely

  30. Nanomateriály na bázi uhlíku

  31. Uhlíkaté nanomateriály • Uhlík v přírodě • Amorfní • Krystalický • Uhlíkaté NM • Fullereny • Sférické molekuly • Uhlíkaté nanotrubičky • Prodloužené fullereny • Uhlíkaté nanopěny • Zahřátí pulsním laserem na extrémní teplotu (10000 °C) • Extrémně lehká • Feromagnetická • Grafen • Uhlíkaté aerogely

  32. Fullereny • Nejčastěji C60 • Laserová ablace grafitu • Prudké ochlazení • Výskyt v přírodě • Saze • Uhelné vrstvy • Fulgurity • Meteority • Plamen svíčky – žlutá část • Laboratorní příprava • C60 • Vysoké výtěžky (50 %) • Obloukový výboj (C elektrody)

  33. Fullereny • 20 a více atomů uhlíku • Mnohostěny „kulovitého“ tvaru • Nejstabilnější C60 • Průměr 1 nm • Extrémní odolnost vůči vnějším fyzikálním vlivům • Další struktury • Fullerity • Dimery/polymery • Filleridy

  34. Uhlíkaté nanotrubičky • Podobný způsob přípravy jako fullereny (CVD metody) • Velmi dlouhé (mikrony) • Průměr několik nm • Čistě uhlíkaté • Čestičlenné kruhy • Různé typy • Duté, plné, vícevrstvé… • Jednovrstvé/vícevrstvé • Uzavřené/otevřené

  35. Grafen • Jedna nebo několik málo grafitických vrstev • Příprava • CVD metoda • Chemicko-mechanická dekompozice grafitu • Oxidace grafitu (KMnO4 + H2SO4) • Oddělení vrstev v ultrazvuku • Zpětná redukce • Metoda Lepící pásky

  36. Aerogely • Přechodná oblast • Organické • Uhlíkaté • Anorganické • Si, Ti, Al • Podstatnou část tvoří vzduch • Velmi nízká hustota • Vysoká pevnost • Příprava metodou Sol-gel

  37. NM na bázi jílů

  38. NM na bázi jílů • Přírodní materiály • Některé rozměry v nanoměřítku • Jíl • Materiál s obsahem jílových minerálů (aluminosilikátů) • Materiál s částicemi < 2 µm • Časté směsi dvou a více jílových minerálů • Schopnost sorpce a iontové výměny • Schopnost vázat vodu • Chování při zahřívání • Reakce s organickými látkami

  39. NM na bázi jílů • Vrstevnatá struktura • Tetraedrické a oktaedrické sítě • 1:1, 2:1 • Nejstudovanější • Kaolinity • Montmorillonit • Vermikulity • Značné využití už u surových materiálů

  40. NM na bázi jílů - interkaláty • Umístění různých molekul do mezivrství • Organické molekuly • Polymery • Komplexní ionty • Anorganické interkaláty • Monoiontové formy • Kysele aktivované materiály • Komplexní kationy • Pilarizace

  41. NM na bázi jílů - interkaláty • Organické • Kationy • Tenzidy • Barviva • Polymery • Polymery – zvláštní případ • Polymer – matrice • Interkalace až exfoliace • Lepší pevnostní vlastnosti

  42. Polymerní kompozity

  43. Polymerní NM • S jíly • S uhlíkatými NM • Samotné

  44. Aplikace NM

  45. Primární aplikace NT • 3 základní aplikační oblasti • Nanorobotika (NEMS) • Materiálové inženýrství • Molekulární nanotechnologie • Aplikace v elektronice • Materiály • Spintronika • Senzory

  46. Primární aplikace NT • Materiálové inženýrství • Vrstvy • Kompozitní materiály • Samoopravné materiály • Medicína • Cílená doprava léčiv • Nové léčebné postupy • Biokompatibilita

  47. Hrozba NT • Neznámá toxicita nanočástic a nanomateriálů • Vliv na životní prostředí • Vliv na společnost • Možnost zneužití

  48. Pro dnešek vše 

More Related