MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 12 Nye trender i materialteknologi Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap.

Presentasjon om: "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 12 Nye trender i materialteknologi Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap."— Utskrift av presentasjonen:

1 MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 12 Nye trender i materialteknologi Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo truls.norby@kjemi.uio.no Mikroteknologi Mikroelektro- mekaniske systemer (MEMS) Nanoteknologi Biokompatible og biomimetiske materialer Funksjonelle polymerer

2 MEF 1000 – Materialer og energi Mikroteknologi Teknologi på mikrometer-skala Grunnleggende for moderne datateknologi Silisiumteknologi –Wafers –Doping –Oksidasjon –Litografi –Etsing

3 MEF 1000 – Materialer og energi Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) Energiforsyning Sensorer (føle) Datamaskin (tenke) Kommunikasjon Aktuatorer (handle)

4 MEF 1000 – Materialer og energi IBM Millipede – tettere datalagring med mikroteknologi Matrise av nåler trykker og leser av groper i en polymer Hver nål adresserer en matrise av punkter Slettes ved varme

5 MEF 1000 – Materialer og energi Nanoteknologi Litt historikk –29. desember 1959: Richard P. Feynman (1918-1988): foredrag for American Physical Society: ”There’s plenty of room at the bottom – an invitation to enter a new field of physics”. –sveip-probe-mikroskopet (1981) –oppdagelsen av C 60 -molekylet (1985) –K. Eric Drexlers bok ”Engines of Creation” (1986) –Clinton-administrasjonens nanoteknologi-initiativ (2000)

6 MEF 1000 – Materialer og energi Sveip-probe-mikroskopi (SPM) Generell betegnelse: Scanning Probe Microscope (sveip-probe-mikroskop); SPM Spiss nål Feedback: Tunnelingstrøm (STM) Defleksjon av nålen (SFM (=AFM)) og mange andre… Feedback kobles til piezoelement som sørger for avstandsjustering og scanning

7 MEF 1000 – Materialer og energi Nanoteknologi – dimensjoner og noen definisjoner Nanos (gresk) = ”dverg” 1 nm = 10 -9 m = 10 Å Nanoteknologi omfatter strukturer på < 30 nm (ca. 100 atomer) Nanometerskalaen er skalaen naturen bruker til sine konstruksjoner –bio, mineral, biomineralsk Fysikk: Minskende dimensjoner mot nanoteknologi –Top-down Kjemi: Økende dimensjoner mot nanoteknologi –Bottom-up Nanoteknologi er krysningspunktet (i dimensjon) mellom fysikk og kjemi

8 MEF 1000 – Materialer og energi Bottom-up fremstilling av nanostrukturer; eksempel: Tynne filmer Manipulasjon av atomer og molekyler (kjemisk eller fysisk) Kontrollert vekst av molekyler og strukturer Filmdeponering –Kjemisk, fysisk Alle strukturer (syntese – korn – lag – legemer) starter atomært og nanoskopisk; stanse vekst! Unngå kornvekst og tap av overflate ved sintring og annen prosessering Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

9 MEF 1000 – Materialer og energi Chemical Vapour Deposition (CVD) med atomlagsepitaksi (ALE) ved UiO Molekyler legges på som ett lag Overskytende skylles vekk Organiske komponenter kan evt. oksideres vekk fra hvert lag vha. ozon (O 3 ). Prosessen gjentas med nye eller identiske lag.

10 MEF 1000 – Materialer og energi Nanoteknologi – definisjoner forts. Nanoteknologi: Når liten størrelse endrer materialets egenskaper, ikke forutsigbart utfra fysikkens lover. –Intensiv egenskap: Ikke konstant –Ekstensiv egenskap: Ikke lineær med størrelse, volum

11 MEF 1000 – Materialer og energi Nanoteknologi; kvantifisert strøm Én-elektron-transistoren Nanoskopiske dimensjoner Kvantepunkter - Quantum dots Transistor med slike dimensjoner i gate- strukturen kun gjennom ett elektron (flere ved høyere spenning); kvantifisert strøm Nye muligheter for informasjons-flyt

12 MEF 1000 – Materialer og energi Nanorør og nanostrenger Kan ha andre elektriske egenskaper enn bulk-materialet Kanal (”channel”) i MOS- transistor –Nanorør av karbon –Nanostrenger av silisium Groing av nanorør og –strenger krevende –sted –retning

13 MEF 1000 – Materialer og energi Nanoteknologi; lagring av data Spintronics –Elektroniske, magnetiske, optiske egenskaper –Ett elektrons spinn lagrer informasjon –Hvert atom i en krystall kan holde informasjon! –Hvert atom kan i prinsippet holde mer enn én bit Atomær lagring: Data lagret som atomer på overflater Molekylær lagring: Data lagret som kjemisk endring av et molekyl –Hvert molekyl kan holde mer enn én bit

14 MEF 1000 – Materialer og energi Fotonikk (photonics) Lys interakterer med periodiske strukturer Diffraksjon –2 dimensjoner –3 dimensjoner 3 dimensjoner på mer kontrollert måte: Fotoniske krystaller –Varierende mikrostruktur, sammensetning, defekter –Ytre påvirkning (magnetisk, elektrisk, optisk) –Waveguides –Filtre osv.

15 MEF 1000 – Materialer og energi Biokompatible og biomimetiske materialer Biokompatible –Kjemisk stabil grenseflate til vev –Bindinger –Biologisk aksept –Implantater keramiske metaller (stål, titan, amalgam, gull…) Kompositter Biomimetiske –Materialer som mimer biologiske materialer Kompositter (tre, skjell…) Fotoniske

16 MEF 1000 – Materialer og energi Biomimetiske materialer; eksempel fotoniske sommerfuglvingeskjell

17 MEF 1000 – Materialer og energi Funksjonelle polymerer Organiske polymerer foreløpig viktigst som konstruksjonsmaterialer men har også funksjonelle egenskaper; –dielektriske –optiske egenskaper –Ioneledende polymerer Utvikling av nye funksjonelle egenskaper –særlig knyttet til lavere båndgap Aromatiske forbindelser, delokaliserte  -elektroner i grafittlignende C-bindinger Nitrogen –elektroniske ledningsevne –Magnetiske egenskaper ved innskuddsmetaller poly-para(fenylen-vinylen), PPV

18 MEF 1000 – Materialer og energi Organiske lys-emitterende dioder (OLED) poly-para(fenylen-vinylen), PPV

19 MEF 1000 – Materialer og energi Nano- og mikroteknologi med organiske molekyler og strukturer Lag for lag av monomerer Polymerisering ved oppvarming med STM-tip- strøm Kjemiske reaksjoner, for eksempel pyrolyse til grafitt eller karbonrør (ledere) Mulighet for molekylære motorer, katalytiske seter, osv.

20 MEF 1000 – Materialer og energi Oppsummering m.m., kap. 12 Mikroteknologi –Miniatyrisering av det kjente Nanoteknologi –Der fysikk og kjemi møtes –Der fysikkens kjente lover (eller der materialenes bulkegenskaper) ikke lenger virker som før Picoteknologi –Atomær og subatomær teknologi, ”alchemic engineering” Femtoteknologi –Partikkel- og kjerneteknologi