Embed Size (px)
Citation preview
Page 1
1
Nanotechnologie: de volgende
technologische revolutie ?Guido Groeseneken
Imec en KU Leuven
Themabijeenkomst Nanotechnologie, 30 maart 2017
2
= nanos = dwerg
Nanos is het Griekse woord voor dwerg, dus iets kleins...
Page 2
3
Hoe groot is een nanometer ?
Diameter = 10,000 km = 10,000,000 m = 107 m
1 nm = 10-9 m = 1 miljardste van een meter
Delen door 1 miljard 107/109 m = 10-2 m = 1 cm
1 m/1000 = 1 mm 1 mm/1000 = 1 m 1 m/1000 = 1 nm
4
Hoe groot is een nanometer ?
Mijn baard groeit 5 nanometer per seconde = 300nm per minuut= 18000 nm per uur = 432000 nm of 0.432mm per dag
Page 3
5
Nanotechnologie
Methoden en werktuigen voor fabricatie en/of gebruikvan structuren op nanometerschaal
(1 tot 100nm)
bruikbaar voor tal van nieuwe toepassingen
Griep Virus
100 nm
Atoom
0.3 nm
NANOTECHNOLOGIE
31nm31nm
TransistorTiO2
DeeltjesZonnecreme
20 nm
1nm
C-Nanobuisje
Si Nanodraden NanoporieGrafeen
6
De profeet: de visie of de droom ?
The Classic Talk: “There’s Plenty of Room at the Bottom”Richard Feynman
Noble Prize Physics 1965
”The principles of physics do not speak againstthe possibility of maneuvering things atom byatom. It is not an attempt to violate any laws; itis something, in principle, that can be done; butin practice, it has not been done because we aretoo big”
”I want to build a billion tiny factories, modelsof each other, which are manufacturingsimultaneously, drilling holes, stamping parts,and so on.
Page 4
7
Nanotechnology: Shaping the picture
Source: NSF
8
Nanowetenschappen en nanotechnologie
Key = multidisciplinariteit – grensvlak van verschillende wetenschappelijke disciplinesRenaissance ingenieurs !
Page 5
9
Toepassingsgebieden
Nanoelectronica (ICT, mobile, etc.)
Smart materials (slimme materialen)
Displays (flexible displays)
Sensoren en biosensoren
Nanoscale biostructuren
Energie opwekking en opslag
Health and life sciences and technology
Photovoltaics
Environmental
…
…
10
Impact op nagenoeg iedere(klassieke) industriële activiteit…
ICT, Medica, Farma, Cosmetica, Verlichting, Catalysts, Voeding, Waterzuivering, Energie, Textiel, Auto, Bouw…
Source: UMICORE NanoGrain™
2005: 54 Nano producten; in 2012: al 1750
http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/.
Page 6
11
Wat maakt Nano-deeltjes zo bijzonder?
Reactiviteit ~ buitenste atomen (chemische reactiviteit)
Effecten van kwantumfysica (optisch, elektrisch, magnetisch…)
Materiaaleigenschappen veranderen (geleidbaarheid, sterkte, ...)
Chemische decoratie mogelijk (b.v. “haken” naar levende cellen)
Nieuwe materialen => nanotoxiciteitsonderzoek!
…
EEN NIEUW GRENSGEBIED TE ONTDEKKEN, TE BEWAKEN EN TOE TE PASSEN
Nano
54 atomen
24 buitenste 36 buitenste
nm
13
Kwantum fysica
Op nanometer schaal spelen volop de effecten van de kwantum fysica
Kwantum fysica werd ontwikkeld in de eerste helft vnde 20e eeuw, o.m. op de Solvay bijeenkomsten in Brussel (zie hieronder foto uit 1927)
Page 7
14
Interactie met licht
Licht heeft een deeltjes (fotonen) en eengolfkarakter
Deeltjes (bv electronen) hebben ook eengolfkarakter
Energie is gekwantiseerd: E = h f met h constante van Planck
Allerlei interferentie en verstrooiingseffecten zorgen b.v. datnanodeeltjes andere kleurenhebben dan op macro schaal
15
Nano in de natuur
Nanostructuren in b.v. de vleugels van vlinders, veren van pauwestaarten en opaal veroorzaken bonte kleurschakeringen
Page 8
16
Nano is al zeer oud !
Nanodeeltjes in het glas van eeuwenoude glasramenveroorzaken gelijkaardige bonte kleurschakeringen
17
Het Lotus effect
Page 9
18
Waterafstotende schoenen
Katrien Herdewyn:
- ex master student nanowetenschappen en nanotechnologie
- Zaakvoerster Elegnano, Wezemaal
- UNIZO starter van het jaar 2015
- Elegnano schoenen zijn dankzij nanotechnologie volledig vuil- en waterafstotend.
www.elegnano.com
19
TiO2
photocatalysis + oxidationOrganic dirt is broken down
Hydrophilic surfaceRain washes away the dirt
TiO2 for self –cleaning windows
https://www.pilkington.com/en-gb/uk/householders/types-of-glass/self-cleaning-glass
Page 10
20
Zinc Oxide sunscreen
Nanophase zinc oxide
21
Nano silver: anti-bacterial
Silver Nano Health System) is a trademark name of an antibacterial technology which uses silver nanoparticles in washing machines, refrigerators, air conditioners, air purifiers and vacuum cleaners introduced by Samsung in April 2003 (Wikipedia)
Page 11
22
Nanotechnology and energy
23
Koolstof gebaseerde nanomaterialen
Fullerenes (C60) Carbon Nanotubes GraphiteGraphene
0D 1D 2D 3D
Carbon: Diamond (sp3) and Graphite (sp2)
Page 12
24
Grafeen in 2010
25
Grafeen: materiaal van de toekomst ?
Nobelprijs 2010 !
Grafeen:- Sterker dan staal- Goede geleider- Unieke optische eigenschappen
Veel nieuwe toepassingen:- Nieuwe transistoren- Efficientere zonnecellen- Quantum dot devices- Biodevices- Nanoribbons
Page 13
26
Carbon nanotubes
Single-wall Double-wall Multi-wall
SWCNT carpet
2.6μm
SW-CNT G/D ≈ 10 LCNT=2.6μm
SWCNT carpet
Voorbeelden van toepassingen: composietmaterialen: geleidende plastics, carbon fibers in boten,vliegtuigen.versterken van tennisraketten, fietsen, skis, golfsticks etc.: licht en sterk !betere transistoren en geleiders voor electronica
27
Nanoelectronica is de meest succesvolle en wijd verspreide nanotechnologie
•PC •Moederbord •VerpakteCPU
•Chip•(dual core)
•50cm •30cm •5cm •1.5cm
•Grootte-
•orde
Page 14
28
•Grootte-
•orde
•Chip
•(dual core) •(820 miljoen in
•Intel Quad Core)
•Transistor• Verschillende
•Circuits•(6T-SRAM)
•1.5cm •0.6um •100nm •1nm
•Gate
•oxide
•HfO2
•Ebola virus
•1 millimeter = 0.001 meter1 micrometer = 0.000001 meter
1 nanometer = 0.000000001 meter
•H20
•molecule
•haardikte
Nanoelectronica is de meest succesvolle en wijd verspreide nanotechnologie
29
De eerste transistor, uitgevonden bijBell Laboratories op 16 December, 1947 door William Shockley, John Bardeen en Walter Brattain, was gemaakt in Germanium. Het woord transistor komtvan zijn eigenschap stroom te regelen of te schakelen (TRANSfer + resISTOR).
John Bardeen enWalter Brattain ontvingen de Nobel Prijs in Fysica, 1956, samen met William Shockley, "for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect."
1947: uitvinding van de transistor
Page 15
30
Invention of the integrated circuitIn 1958 and 1959, Jack Kilby at Texas Instruments and Robert Noyce at Fairchild Camera, came up with a solution to the problem of large numbers of components, and the integrated circuit was developed.The Nobel Prize in Physics 2000 was awarded to Jack Kilby for the invention of the integrated circuit.
First silicon IC chip made by Robert Noyceof Fairchild in 1961
1958: uitvinding van de geintegreerde schakeling
31
The first microprocessor on the marketThe Intel 4004 was originally designed for use in a Busicom scientific calculator, but Intel engineers realized the design of the chip afforded multi-purpose use - thus the microprocessor was born. The 4004 contained 2000 transistors and is a 4-bit microprocessor capable of processing 4 bits of information at a time at a rate of about 60 kHz.
Intel 4004
1971: Eerste Intel microprocessor
Page 16
32
‘Switch’Gate spanning regelt de
stroom van electronen
als Vg > Vth
drain stroom vloeit(switch is gesloten)
als Vg < Vth
geen stroom kanvloeien (switch is open)
Control gate VoltageVth
Vd = constant
Transistor principe
33
20nm
De bouwsteen van de nano-elektronica revolutie is een ‘simpele’ schakelaar, maar wel eentje die vandaageen lengte heeft van minder dan 100 atomen ...
Transistoren
Page 17
34
The power of scaling
Cost scalingPerformance
Intel 4004
Year 1971 2014 ratio
Transistors 2.300 2.600.000.000 ~ 1.130.000
Speed (Hz) 10.800 3.500.000.000 ~ 310.000
Number of cores 1 8 8
Gate length (nm) 10.000 22 ~ 1/450
Area (mm2) 12 356 ~ 22
Intel Core i7 5960x
Making things smaller more and faster transistors on chip
35
Drijfveer: “wet” van Moore
“# transistoren/chip maal 2 om de 18 maanden”
Rekenkracht/chip maal 2 om de 2 jaar…2*106 sinds 19711USB stick : meer transistoren dan bevolking van China + India samen
Page 18
36
Een aantal cijfers en beschouwingen
Meest geavanceerde geïntegreerde schakelingenvandaag :
– 10nm transistoren.
– Meer dan 2 miljard transistoren/chip
– 1 menselijk haar : 100 μm breed, omvat 10.000 dergelijketransistoren!
Geheugenchips vandaag :– Verschillende Gigabytes
– De hele Winkler Prins Encyclopedie (20 boeken) kan op 1 chip van 2cm2
Precisie lithografie :– Vanuit geostationaire satelliet : 1 bepaald
grassprietje op een voetbalveld viseren
Markt Halfgeleiderschips : >300 Miljard$
37Een menselijk haar bovenop een 110 nm chip
Het is een kleine wereld
Page 19
38
Tran
sistors p
er pro
cessor ch
ipMO
SF
ET
gat
e le
ng
th (m
)
Nanotechnology
Microelectronia industrie is geevolueerd tot de meest succesvollenanotechnologie (nanoelectronica) met hoog volume produktie
More Moore
39
Major fabrication steps in a planar IC technology
Copied from Advanced Micro Devices
Oxidation(Field oxide)
Silicon substrate
Silicon dioxideSilicon dioxide
oxygen
PhotoresistDevelop
oxideoxide
PhotoresistCoating
photoresistphotoresist
Mask-WaferAlignment and
Exposure
Mask
UV light
Exposed Photoresist
exposedphotoresist
exposedphotoresist
GS D
Active Regions
top nitride
S DG
silicon nitridesilicon nitride
NitrideDeposition
Contact holes
S DGG
ContactEtch
Ion Implantation
ox D
G
Scanning ion beam
S
Metal Deposition and Etch
drainS DGG
Metal contacts
PolysiliconDeposition
polysiliconpolysilicon
Silane gas
Dopant gas
Oxidation(Gate oxide)
gate oxidegate oxide
oxygen
PhotoresistStrip
oxideoxide
Ionized oxygen gas
OxideEtch
photoresistphotoresistoxideoxide
Ionized CF4 gas
PolysiliconMask and Etch
oxideoxide
Ionized CCl4 gas
CF4 or C3F8 or CHF3 O3 CF4+O2 or CL2
Page 20
40
EUV: key for keeping patterning cost manageable in advanced nodes Since 2011: ASML pre-production scanner NXE:3100 Phenomenal lithographic power can be achieved : 9nm half-pitch demonstrated
EUV lithografie
41
EUV lithografie
ASML NXE 3100 at IMEC interfaced to TEL Lithius Pro EUV and equipped with Ushio DPP source
Page 21
42
Micro-Nano convergentie
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030
Polymeer elektronica SIF
Micro (nano) elektro-mechanischesystemen
Biosensoren
Moleculaire nano-technologie
Magneto-elektronica
Opto-elektronica
Nano-elektronica
Nano-elektronica
Wetten van de Quantumfysica!
43
De bouwstenen van het leven (DNA en RNA) zijn een perfect staaltje van nanotechnologie !
Page 22
44
cmmnm
BIOTECH
Nano Particles
NANOTECH
transistor
x109
NANOELECTRONICS
31 nm31 nm
Nano-Bio visie : Bio en ICT ontmoetenelkaar op nanoschaal
Targeted Drug Delivery
Biosensoren, Lab on chip
Courtesy H. Deman
45
Nano Particles als Trojaans paardvoor kankercellen
Nanoparticle
Drug Payload
Source: J.Baker U. Michigan
Targeted drug deliveryWill we get rid of Chemotherapy some day?
SelectiveChemical“Hooks”(Antibodies)
Page 23
47
Neuron hersencellen en nanoelectronica
SRAM
48
ICT interfaces Bio at Nano-Scale…
© IMEC-HUJI 2003
electrical
action potential
chemical
neurotransmitter
ICT Interpretation-control-transmissionChip
Neuron
IMEC-VIBK.U.Leuven
AlzheimerParkinsonBrain ResearchNeuroprobes…
Page 24
49
For DBS : Deep Brain Stimulation
reeds zeer effectief in de behandeling van ziekte van Parkinson, maar ook beloftevol voor vele andere neuraleaandoeningen (typisch ziekten met een hoge menselijke en economische kost)
Elke probe bevat 112 electrodes die elke apart Kunnen gecontroleerd worden door de interface electronische circuits onder de probesDe probes worden gefabriceerd met behulp van MEMS micromachining technologie
Neuroprobes developed by imec:
Neuroprobes: neural interfacing technologie
80μm
51
Bio-Lab op Chip…
Snelle DNA analyse, point-of-care diagnose, voedselveiligheid, toxiciteit testen, snellere ontwikkeling geneesmiddelen
CentraalLabo
DoktersKabinet
Page 25
52
CELL SORTER: DRIVERS
Metastase cellen: verantwoordelijk voor 90% van alle kanker gerelateerdeoverelijdens
Vroegtijdige detectie is de beste manier om kanker te bestrijden Uitdaging: detecteren van1circulerende tumor voor 1 miljard normale cellen Nood voor een high-throughput cell sorter
53
CELL SORTER: CONCEPT
Combinatie van cell imaging en cell sorting analyse Inspectie van 20 millioen cellen per seconde met hoge betrouwbaarheid Parallelization: tot 1,000 kanaaltjes processed in een enkele produktie flow
Movie
Page 26
54
Lab-on-chip: vroege detectie van metastase kankercellen
55
DNA Biosensor
artist’s impression of a nanowire device used as a sensor for specific DNA molecules in an electrolyte solution. The charge binds to the channel dielectric and modulates the current inside the nanowire (Courtesy : Peter Allen, UCSB). Peter Allen, UCSB.
Page 27
56
Nanopore DNA sequencerOxford university
57
Nanomotoring and nanorobots
Ben FeringaUniversiteit GroningenNobelprijs Chemie 2016 !
Page 28
58
Nanomotoring en nanorobots
Toepassingen zijn nog onduidelijk...Mogelijks een stap in de richting van moleculaire machines die door onze aderen reizen en kankercellen onschadelijk maken.
59
Source : Red Herring, May 2002
Nanotechnology de volgende technology-wave voor de 21e eeuw ?
Page 29
60
Will Impact all existing industries…
“The true power of nanotechnology is not so much in the creation of new industries, as in its impact on major existing industries.”
PUBLIC
