Metode Chimice de Procesare a Nanomaterialelor.clasificarea Metodelor Chimice În Fabricarea Nanostructurilor

5/25/2018 Metode Chimice de Procesare a Nanomaterialelor.clasificarea Metodelor Chimice n Fabricarea Nanostructurilor

1/13

1

Universitatea Academiei de tiine a Moldovei

Facultatea : tiinte ale naturii

Specialitatea: Biologie molecular

Referat la nanotehnologii

Tema:

Metode chimice de procesare ananomaterialelor.Clasificarea metodelor chimice n

fabricarea nanostructurilor

A efectuat: Talpa Mihaela

Profesor: Lidia Ghimpu

Chisinu, 2014


2/13

2

Cuprins:

Introducere Scurt istoric Tendine actuale de dezvoltare tiinific i tehnologic Procesarea nanostructurilor

Metode chimice de procesare a nanomaterialelor. Clasificarea metodelor chimice n fabricarea nanostructurilor Concluzii Referinte bibliografice


3/13

3

Introducere

Dezvoltarea tiinei a demonstrat c progresele cele mai spectaculoase se obin prin cercetarepluridisciplinar, situat la grania dintre diferite discipline. Cu ct numrul acestor discipline concurenteeste mai mare, cu att este mai rapid dezvoltarea noii tiine iar impactul pe care l va avea asuprasocietii va fi mai mare.

Nanotehnologia a fost iniial introdus pentru a furniza o int concret acurateei pentru proceselede fabricaie care implic finisri de ultraprecizie, cum ar fi: tieri ultrafine, diverse tipuri de prelucrare(procesare) cu fascicule energetice, utiliznd fascicule de fotoni, electroni sau ioni, evaporarea n stratsubire, corodri superficiale ultrafine, etc.

Nanotehnologia este acea ramur a tiinei care permite crearea de materiale, de dispozitive i desisteme la scar nanometric (1-100 nm), prin manipularea materiei la aceast scar, precum i prinexploatarea noilor proprieti ce rezult la scar nanometric, avnd un puternic impact asupranumeroaselor aplicaii comerciale, militare i spaiale.

Scurt istoric

La 29 decembrie 1959, laureatul premiului Nobel, Richard Feynman n cuvntarea intitulat Thereis Plenty of Room at the Bottom n cadrul ntrunirii anuale a Societii Americane de Fizic, a fcut

prima aluzie la nanotehnologie, referindu-se la avantajele nc neexplorate ale miniaturizrii. ncuvntarea sa, el a descris o disciplin menit a manipula uniti de materie din ce n ce mai mici,

permind aranjarea atomilor dup bunul plac al cercettorilor.

Aceast viziune a fizicianului este considerat de mult lume ca fiind prima discuie tiinificdespre nanotehnologie. Cu toate acestea, abia n 1974 termenul de nanotehnologie a fost adoptat de catreUniversitatea Norio Taniguchi din Tokyo. Taniguchi a delimitat ingineria la scala micrometric aanumita micro-tehnologiede o noua inginerie, de aceast dat la nivel sub micrometric, pe care a numit-

o nanotehnologie.Pentru nc un deceniu, nanotehnologia a rmas departe de cunotina publicului larg. Apoi, n 1986,

fizicianul american K. Eric Drexler, a scris Engines of Creation, carte considerat de majoritatea cafiind cursul de baz al nanotehnologiei, crend nanochimia ca ramur a nanotehnologiei, domeniu menit aschimba radical n cteva decenii, toate laturile fundamentale ale vieii omenirii.

n prezent, comunitatea tiinific internaional apreciaz c nanotehnologia dispune de potenialulnecesar pentru a influena fiecare faet a vieii oamenilor cu mai mult for dect toate mariledescoperiri tiinificei invenii anterioare prin aplicaii n toate domeniile tiinei i tehnicii.

Tendine actuale de dezvoltare tiinific i tehnologic

Ultimul deceniu a cunoscut numeroase realizri n obinerea de componente organice de ocomplexitate considerabil. Descoperirea de noi tehnologii pentru polimeri, dendrimeri, a dus la obinereaunei clase interesante de componente la nivel nano, cu proprieti mecanice i optice deosebite

Nanocristale

n ultimii ani, un semnificativ progres a fost nregistrat n obinerea de nanocristale. Multe materialecomune, precum metalele, semiconductorii i magneii pot fi obinute din nanocristale, avnd la baz

procedee chimice coloidale. Conceptul schimbului de legtur a fost bine dezvoltat, aceast metodpermind nanocristalelor caracterizai printr-o distribuie limitat a mrimii diametrului (n general cu o


4/13

4

variaie n diametru ntre 5-15%) de a fi izolai i folosii ulterior ca reactivi chimici. n acest domeniu unfactor esenial a constat n cercetrile efectuate asupra rolului dimensiunilor care au avut la baz studiifundamentale n domeniul chimiei fizice i al fizicii materiei condensate. Faptul c o simpl proprietate

precum emisia de lumin depinde att de mult de proprietile semiconductorilora facilitat dezvoltareaobinerii efective. Aceeai dependen de mrime a fost exploatat n obinerea unor aplicaii i n altedomenii cum ar fi cel biologic.

Structuri din nanoparticole

Obinerea controlat a particulelor reprezint o metod sintetic foarte important necesar realizrilorunor structuri de dimensiuni nano, constituind tehnologia de fabricare a diferitelor produse, de la celeceramice pn la cele specifice industriei farmaceutice. Astfel, structurile de tip nano pot fi ntln ite subdiverse forme, dintre care cele mai importante sunt:

aglomerrile de nanoparticule; aerogeluri.

Trebuie menionat faptul c n particular, aceste structuri se caracterizeaz printr-o morfologieproprie, spre exemplu: dimensiunea fractalilor i numrul de coordinaie dar i prin energia de legturcare are rolul de a pstra particulele ca pe un tot unitar.

Procesarea nanostructurilor

Dezvoltarea metodologiei de autoasamblare a permis extinderea cu uurin a metodelor de obinere ananostructurilor. n proiectarea structurilor complexe cum ar fi componentele electrice trebuie s nevalorificm abilitile n scopul realizrii modelelor litografice. Astfel, au fost dezvoltate noi modaliti derealizare, asamblare i legare amacromoleculelor i nanoobiectelor, avndu-se la baz interaciuni ce suntcu mult mai complexe dect cele ntlnite n mod curent.

Unitate de procesare, tensiuni de rupere i densitate de energie de procesare

n ultima vreme a devenit tot mai necesar fabricarea de produse inteligente precise cu o acurateeextrem de nalt i realizare fin de ordinul nanometrilor. n mod clar, pentru a produce astfel de produsede nalt precizie trebuie utilizate sisteme de prelucrare/procesare n domeniul subnanometric sau de tipatom cu atom. Unitatea de prelucrare/procesare corespunde dimensiunii unei poriuni din cip n

procesele de mascare, unui pas din procesele de deformare i unui cluster molecular n procesele deconsolidare.

Metode de prelucrare cu uniti de prelucrare atom cu atom i cluster de atomi

Pentru a se obine componente i produse fine i ultraprecise, cu acuratee nanometric este ngeneral necesar utilizarea unei uniti de procesare de tip atom cu atom sau de clusteri de atomi.Procesarea atom cu atom este realizat prin tratamentul atom cu atom al materialelor, i prin urmarerealizarea rezoluiilor de ordinul subnanometrilor, n timp ce procesarea tip cluster atomic considerclusteri de atomi, ceea ce face ca rezoluia s fie de ordinul a ctorva nanometri. Dup cum s-a pututobserva n figura 6.3, densitatea de energie de procesare pentru zone atomice la punctul de prelucraretrebuie s ajung la 104 106J cm-3, ceea ce corespunde, la nivel microscopic, energiei specificevolumice de legtur de reea Ub (MJ m-3 sau J cm-3) sau energiei de legtur atomice Eb (J/atom)conform tabelului 6.1. valorile pentru abrazivi ca Al2O3, SiC i diamant sunt cu 2 3 ordine de mrimemai mari dect pentru Fe; pentru prelucrarea la nivel de clusteri atomici, valorile pot fi cu 1 2 ordine demrime mai mici.


5/13

5

Procesarea la nivel de clusteri atomici cu abrazivi fini mobili

Mainile-unelte obinuite de tiere sau cu discuri abrazive nu pot fi utilizate la tierea iachierea/rectificarea n uniti de procesare de tipulclusterilor atomici datorit faptului c uzura muchieiachietoare devine extrem de mare pentru panul din oel. Pentru metalele uoare ductile cum ar fi

aluminiul, este totui posibil realizarea unei microprelucrri pe baza procesrii de clusteri atomiciutiliznd scule diamantate sau pulbere de diamant (figura 3.4).

n plus, sunt larg utilizate n procesarea de tip cluster atomic lepuirea pe baz de abrazivi fini dediamant, Al2O3, SiC, etc. precum i lustruirea cu abrazivi fini de pulbere de Fe2O3, Cr2O3, CeO2, etc.Abrazivii de lepuire sunt remprosptai i reascuii prin sfrmare n timpul operaiei pentru a realizandeprtarea continu a materialului, n timp ce abrazivii de lustruire sunt lefuii sub aciunea tensiunilorde forfecareextrem de mari, pe baza defectelor punctuale din domeniul clusterilor atomici. Din acestmotiv, lustruirea se realizeaz cu abrazivi duri i rezisteni termic.

Contururile geometrice de suprafa pot fi precis modelate prin lepuire folosind plci de duritatemedie i printr-o lustruire ulterioar utiliznd plci mai moi ntruct suprafeele acestor plci se uzeaz

puin pe durata procesrii datorit mecanismului de prelucrare. Prin urmare, procesarea continu a

suprafeei cu o acuratee aproape nanometric este posibil de realizat.Pn n prezent a fost foarte dificil generarea suprafeelor nesfericesau de alte curburi, deoarece

micarea rlativ de nalt precizie dintre piesa de prelucrat i plac era dificil de realizat. Totui, recent afost realizat un control numeric de pai fini de 0,1 m i drept rezultat n curnd vor fi dezvoltate noitehnologii de fabricare a suprafeelor curbate de precizie care utilizeaz sisteme generatoare cu unelte delepuire i lustruire (figura 6.5).


6/13

6

Procesarea atom cu atom utiliznd particule elementare de nalt energie sau un cmp electric

intens

Pentru a realiza ndeprtarea materialului atom cu atom, pentru care este necesar o energie de

procesare ridicat 104 - 106 J cm-3, au fost dezvoltate metode de procesare cu particule de nalt energie,n care un fascicul de particule elementare, cum ar fi: fotoni, electroni sau ioni, atomi reactivi chimic sauelectrochimic ori chiar atomi neutri, este aplicat asupra punctului ce trebuie prelucrat (figurile 4.6 i 4.7,tabelele 4.2 i 4.3).

Metodele de prelucrare care utilizeaz particule de nalt energie au rezoluii de prelucrare la scaratomic sau subnanometric. Totui, este foarte dificil poziionarea punctului de prelucrare cu acurateenanometric, ntruct spre deosebire de situaia utilizrii mainilor-unelte sau sculelor monobloc, nuexist nici o suprafa sau ax geometric de referin pentru controlul poziiei fasciculului de particule la

o precizie aa de nalt. n consecin, prelucrarea cu fascicul de particule de nalt energie se realizeazn prezent numai cu comand n bucl deschis a poziiei axei fasciculului energetic, fr nici un fel deinformaie de tip feedback al poziionrii n timpul efectiv al prelucrrii.


7/13

7

Pentru prelucrarea atom cu atom, care implic aglomerri sau formarea de straturi subiri pesuprafaa de lucru, au fost utilizate pe scar larg fascicule de ioni cu energie redus, cu mpr tiereatomic (fascicul rece) i atomi evaporai termic (fascicul cald) prin utilizarea fotonilor, electronilorsau prin nclzire direct. Totui, pentru a se asigura legarea atomilor de pe suprafa cu atomii proiectaide fascicule, atomul sau molecula trebuie s aib energia optim pentru realizarea adeziunii. Dac aceastenergie este prea mare, materialul va fi ndeprtat, iar dac energia este prea sczut, legtura adeziv

nu se va mai realiza. Implantarea ionic n straturile de suprafa i amestecarea ionic a structurii desuprafa este larg utilizat n practic.

Procesarea subgranul

Procesarea subgranul a metalelor ductile .Ruperea prin forfecare sau deformarea plastic ametalelor ductile pornete de la dislocaiile n domeniul 1-10 m, ceea ce corespunde unei dimensiunisubgranulare.

a) Dislocaiile i vectorul Burgers.Materialele ductile, cum ar fi metalele Al i Fe, sunt alctuite dingranule monocristaline cu dimensiuni de la civa micrometri la civa zeci de micrometri. n granulelecristaline, ntotdeauna exist defecte liniare, cum ar fi dislocaiile marginale i elicoidale.

Procesarea subgranul a polimerilor organic. Structura macromoleculelor organice const dinmolecule mari interconectate i, dei legtura dintre atomii polimerului este ionic sau covalent, ceadintre molecule este determinat de fore van der Waals i prin urmare este foarte slab.n consecin,deformarea intermolecular a polimerilor este, n principal, datorat alunecrii vscoase dintre grupelemoleculare mari creia i se opun forele de legtur van der Waals. Totui, pentru achierea foarte fin ndomeniul submicronic, uneltele convenionale nu sunt adecvate, ntruct separarea atomilor din molecula

polimerului necesit o prelucrare tip atom cu atom cu densiti de energie ridicate pentru a contracaraforele de legtur ionic sau covalent. De aceea, pentru ndeprtarea unor fragmente foarte fine din

polimerii nali sunt necesare unelte de achiere din carburi cementate, granule de diamant sau abrazividin SiC, etc. Mai mult, n unii polimeri nali care prezint comportare fragil, cum ar fi sticlele organice,alunecarea datorit curgerii vscoase nu se produce uor n achierea ultrarapid i atunci survine ruperea


8/13

8

fragil. Acest lucru se ntmpl deoarece fora care se opune curgerii vscoase crete proporional cucreterea vitezei de deformare.

Procesarea nanofizic

Evaporarea n cmp electric a atomilor specificai .Aceast metod a fost dezvoltat dela concepiamicroscopului tunel cu baleiaj (STM Scanning Tunneling Microscope). O diagram schematic aevaporrii n cmp electric este prezentat n figura 4.18. Sistemul const dintr-un electrod cu captascuit, fcut din wolfram, care este controlat de o unitate de poziionare tridimensional (3D) ce are la

baz un sistem piezoelectric cu o rezoluie i o acuratee subnanometric i o surs de curent continuu deciva voli.

Procesarea cu fascicul de fotoni dir ij at .Un foton este o particul elementar de energie, fr mas,i anume cuanta de energie din legea lui Planck. Un foton are o energie egal cu h, unde h este constantalui Planck, 6,626 10-34 Js, iar este frecvena echivalent (Hz). ntruct un foton poate fi considerat nacelai timp i ca o und electromagnetic de frecven , lungimea de und echivalent a unui foton (m)este dat de relaia: l = c/v (4.18) unde c este viteza luminii: 2,998 108 m/s. Rezult de aici c lungimea

de und a fotonilor dintr-un fascicul luminos sau fasciculul laser este de ordinul 10 pn la 0,1 m pentruenergiile fotonilor n domeniul 0,110 eV. Pe de alt parte, lungimea de und a fotonilor din radiaia Xsau cea sincotronic este de ordinul 10 la 0,1 nm pentru energii cuprinse ntre 0,1 i 1 MeV. O lungime deund a fotonilor poate fi considerat ca o regiune n care ea exist.


9/13

9

Procesarea cu fascicul electronic dir i jat . n figura 7.22 se prezint schematic o instalaie deprocesare cu fascicul electronic focalizat; macanismul transferului de energie de la electro la atomul

piesei de prelucrat este schiat n figurile 7.23 i 7.24. Procesul de baz realizat de un electron avndenergie cinetic l constituie evaporarea termic a bucilor atomice. Electronii accelerai proiectaiasupra unei piese de prelucrat i transfer energia lor, n general, ctre nveliul exterior al atomului icresc energia termic de vibraie a nucleului. Astfel, electronii ce posed energie pot s furnizeze efectivenergia necesar pentru evaporarea termic ntr-o poriune foarte fin localizat a materialului supus

prelucrrii. Totui, este important de recunoscut faptul c electronul proiectat este, n principal, absorbitn regiunea de penetrare n adncime i nu la suprafaa materialului, dup cum se prezint n figura 7.23.


10/13

10

Procesarea cu fascicul ionic dirijat.O metod fundamental de procesare a materialelor careutilizeaz ioni este prelucrarea cu mprtiere ionic. Echipamentul de baz pentru prelucrarea cumprtiere ionic este prezentat schematic n figura 4.26. Mecanismul prelucrrii prin

pulverizare/mprtiere este prezentat grafic n figura 4.27. Ionii de gaz inert, cum ar fi ionii de Araccelerai n cmp electric pn la o energie medie de 10 keV (corespunznd unei viteze de ~200 km/s),sunt orientai unidirecional i proiectai asupra suprafeei materialului de prelucrat sub un vid nalt (1,310-4 Pa).

Procesarea suprafeei cu plasmPlasma este definit ca o stare electric conductoare a gazelor ncare coexist un numr aproximativ egal de electroni i ioni pozitivi. n general, la presiune atmosferic,

plasma apare la descrcarea n gaze n arc electric la temperaturi 10000 - 20000 K i este cauzat de

recombinarea electronilor i ionilor disociai. Totui, la presiuni sczute, plasma datorat descrcrii ncurent continuu sau excitaiei de microunde apare la temperaturi sczute ncomparaie cu cazul presiuniiatmosferice; temperatura este determinat de energia cinetic a electronilor i ionilor din starearespectiv.


11/13

11

Procesarea suprafeei cu fascicul molecular .Acest tip de proces este realizat prin bombardareadirect cu atomi i molecule obinui prin evaporare termic cu ajutorul unui fascicul de electroni n vidnaintat (10-710-8 Pa). Energia cinetic a atomilor sau moleculelor n aceast stare este mult mai mic(~1 eV) dect n cazul mprtierii ionice a atomilor neutri.


12/13

12

Procesarea cu fascicul molecular n care buci atomice sunt depuse direct se utilizeaz pentrucreterea epitaxial a cristalelor pe plachete semiconductoare, permind realizarea unui control foarte final grosimii i compoziiei. Acest tip de procesare atom cu atom a permis dezvoltarea unui proces desintez pentru crearea materialelor cu superreele pentru componente microelectronice.

Procesarea nanochimic i electrochimic

Conceptul de procesare chimic i electrochimicDin cauza naturii reaciilor chimice, procesareachimic este n mod natural o procesare atom cu atom a materialelor. O reacie chimic reprezint omodificare n combinarea atomilor, a moleculelor reactante, n care legtura chimic a moleculelorreactante este desfcut i se genereaz o nou molecul. De exemplu, moleculele cu legturi atomice H -H i O-O pot fi desfcute pentru a se forma o nou molecul avnd legturile H -O-H. n cadrul

procesului, un gaz sau un lichid reactiv chimic este aplicat unei poziii specifice pe suprafaa solid amaterialului de prelucrat. Moleculele reactive reacioneaz apoi cu moleculele suprafeei, iar moleculelereacionate solubile ori ca vapori sunt ndeprtate sau difuzate n gazul sau lichidul reactant nconjurtor.O astfel de procesare chimic a bucilor atomice are loc uniform i la ntmplare pe suprafaamaterialului, genernd o suprafa plan, neted.

Echilibrul n reaciile chimice O reacie chimic poate fi definit ca un proces n care legturilemoleculelor reactante sunt rupte fiind generate noi molecule. Pentru a investiga 133comportarea reaciilorchimice n materialele reactante, este necesar ca mai nti s cunoatem tipul de legtur chimic

predominant n molecula de reactant, de exemplu ionic, covalent, metalic sau molecular (van derWaals). Apoi, trebuie determinat gradul de echilibru al reaciei chimice i viteza de reacie. n consecin,

pentru procesarea chimic reactiv tip atom cu atom a materialelor, este necesar selecionarea unuimaterial reactant potrivit cu materialul de lucru, prin considerarea gradului echilibrului chimic i mrimii,vitezei de reacie.


13/13

13

Bibliografia :

1. Koga, K., Nomura, J., Yasui, J., Terui, Y., Nagano, H., Fujita, K., et al. (1990). High-perforinancesynchrotron X-ray stepper. Journal of Vacuum Science and Technology, B8,1633.

2. For example, Ohki, S. and Yoshihara, H. (1990). Highprecision X-ray mask technology. JapaneseJournal of Applied Physics, 29,2600.

3.

Kanai, M. and Ishihara, S. (1990). Air bearing lead screw and nut using porous ceramic material.Journal of the Japan Society of Precision Engineering, 56, 634. Une, A., Takeuchi, N., and Torii, Y. (1990). A highaccuracy alignment technique using single- and

doublepitch dual gratings. Journal of Vacuum Science and Technology, B8, 51.5. Deguchi, K., Miyoshi, K., Ban, H., Kyuragi, H., Konaka, S., and Matsuda, T. (1992). Application of

X-ray lithography with a single-layer resist process to subquartermicron LSI fabrication. Journal ofVacuum Science and Technology, B10, 3145

6. Ito, H., England, W.P., and Lundmark, S.B. (1992). Efrects of polymer end groups on chemicalampliflcation. SPIE Proceedings, 1672,2-14.

7. Kataoka, M. and Tokunaga, A. (1990). A highly sensitive positive electron beam resist EBR-9 HS31.In: Polymers for microelectronics - science and technology", pp. 327-42. Kodansha.

Documents

Metode Chimice de Procesare a Nanomaterialelor.clasificarea Metodelor Chimice În Fabricarea Nanostructurilor