Nanoteknoloji ve nanokristal temelli aygıtlar
Transkript
Nanoteknoloji ve nanokristal temelli aygıtlar
Nanoteknoloji ve nanokristal temelli aygıtlar Evren Mutlugün Fizik Bölümü Nanoteknoloji Araştırma Merkezi Bilkent Üniversitesi, Ankara [email protected] Akademik danışman: Hilmi Volkan Demir Sunum • Nanoteknoloji 8 Önemi 8 Uygulamalar • Nanoteknolojik bir açılım 8 Nanokristal katkılı optoelektronik aygıtlar Nanokristal sintilatörleri • Diğer projelerimiz • Sonuçlar 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Geleceğin teknolojisi DEVRĐMSEL KUVVETLER ji? Na n ot e kn olo ya r i sa Bil g il Ot om ob De mi ryo ll Te k sti l ar ı Bilim ve teknolojideki temel ilerlemeler her yüzyılda iki kere gerçekleşir ve büyük güç yaratılmasına yol açar Teknoloji başlangıcı Yaygın kabullenilme Hızlı gelişimin sonu Endüstri devrimi Enformasyon devrimi KAYNAK: • Nanoteknoloji 8 Geleceğin 31/10/2007 teknolojisi → geleceğin iş alanları Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Sanayi devrimleri 1. Buhar makinası, makina imalat sanayi, otomasyon. metre - milimetre 2. Mikroelektronik sanayi. 1 mikrometre= 1 milimetre / 1000 3. Nanoteknoloji 1 nanometre= 1 mikrometre / 1000 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Nanometre Nanometre = metrenin milyarda biri Örneğin, bir saç telinin kalınlığı: yüzbin nanometre alyuvarlar: bir kaç bin nanometre DNA kalınlığı: bir kaç nanometre nm 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji nedir? • Geleceğin teknolojisi: nanoteknoloji 8 100 nanometre boyutta ve daha küçük 1 metrenin 10 milyonda biri ve altı 8 Yeni özelliklerinin görüldüğü yapıları 8 Đşlevsel kullanarak daha önce elde edilememiş 8 Malzeme, aygıt ve sistemler yapar. 31/10/2007 NOKTA ZĐNCĐRĐ Evren Mutlugün &KUANTUM Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Source:web Nanoyapılardan örnekler • Örnekler, - Nanokristaller - Proteinler, DNA - Karbon nanotüpler • Sadece küçültme değil, nanoboyutlarda ortaya çıkan yeni özellikler: - Boyut sınırlandırması - Yüzeye bağlı etkiler • Nanoboyutlarda ortaya çıkan yeni özellikleri makroboyutlardaki özelliklerden tahmin etmek mümkün değildir. 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Neden nanoteknoloji? • Örnek, bilgi depolama 8Dünyada her yıl on milyar kere milyar ‘bit’ bilgi yaratılmaktadır. 8Bu bilgiyi depolamak için gerekli CD’ler üstüste konulsa 1000 km’lik bir sütun elde edilir. 8Aynı bilgiyi nanoteknoloji sayesinde bir kesme şeker boyutunda depolamak olası görülmektedir. 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Forbes top 10 nano-ürün Eddie Bauer Vitamine A in polymer capsule NuCelle SunSense SPF 30 : Nano dispersion of ZnO particles BASF Babolat with CNT in frame InMat's Air D-Fense nanocomposite 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Source:web En çok nanoteknoloji patenti alanlar No. Kurum Adet 1 L’Oreal (cosmetics) 266 2 International Business Machines (IBM) (technology) 125 3 Regents of the University of California 107 4 Eastman Kodak Company (photo images) 84 5 Massachusetts Institute of Technology (MIT) 79 6 Henkel Kommanditgesellschaft (home/pers. Care) 76 7 Japan S&T Corp (government-sponsored agency ) 76 8 BASF Aktiengesellschaft (Chem/mat) 66 9 Allied Signal (chem/mat., now part of Honeywell) 65 10 Micron Technology, Inc. (semiconductors) 62 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Endüstride nanoteknoloji Energy Fuel cells Cosmetics TiO2 particles as UV filters Chemistry Nanoparticles for catalysis Nanotechnologies Telecom Quantum dots lasers Single photon source for quantum cryprography Life Sciences and Medicine Quantum dots for biological imaging Drug targeting Textiles Sensors and monitoring, small fabrics medical applications IT Flat panel displays IC:NT for transistors Quantum computing Building Industry Nanocomposite plastics FOOD Industry Nanocomposite aluminium panels Nanocomposites for surfaces gas barriers Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi 31/10/2007 SelfcleaningEvren Source:web Nanoteknoloji pazarı Beklenen dünya marketi: $28,7 billion in 2008 $1 trillion in 2015 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Source:web Kırışıklık önleyici krem • Plenitude marka kozmetik ürünler nanokapsüller içeriyor. Bu nano-kapsüller sayesinde aktif malzeme derinin daha derinliklerine inebiliyor. • Bu aktif malzemeler nanoboyutlara indirildikten sonra biyo-bozunur bir polimer ile kaplanıyor. • Oluşturulan nanokapsüller derinin ilk tabakalarından rahatlıkla geçebilecek boyutlarda oluyor. • Derinin enzimleri nanokapsülün yüzeyini emince içerisindeki aktif malzeme derinin daha alt tabakalarına yayılıyor. • 1995’den beri piyasada. 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Source:web Güneş kremi Çinko oksit boyutları sayesinde UVB ve UVA zararlı ışıklarını geçirmez. Güneş Kremleri sonucunda ortaya çıkan beyazlık oluşmaz. 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Source:web Lotus (nilüfer çiçeği) Lotus yaprağında yağmur damlaları 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Source:web Su tutmayan nano kaplama zey ü y al m r No 31/10/2007 ey z ü li y i k et s tu Lo Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Source:web Araştırma programımız • Araştırma amacı: 8 inovasyon içeren çip üstünde nano fotonik, elektronik ve mekanik aygıtları ve sensörleri - icat etmek ve geliştirmek. • Araştırma teması: 8 işlevsel olarak aygıt mimarilerinde NANO yapıları anahtarlama, hesaplama, iletişim, algılama gibi uygulamalar için kullanmak. • Araştırma içeriği: 8 malzeme→aygıt tasarımı→teorik modelleme ve simülasyon fabrikasyon → deneysel karakterizasyon → sistem uygulaması aygıt fikir oluşumu ↔ aygıt demonstrasyonu 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Özet •Motivasyon •Silisyum fotonik 8Si temelli optoelektronik agıtlar •Nanokristaller 8Optik özellikler •Fotoalgılama için nanokristal sintilatörleri 8Deneysel karakterizasyon sonuçları •Sonuçlar 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Motivasyon • • Problem: Silisyumun sınırlı özellikleri 8 Morötesinde yüksek soğurma katsayısı1 (106 cm-1) (100:1 görünür ışığa göre) 8 Kısa soğurma boyu 2 (10-2 µm) (1:100 görünür ışığa göre) 8 Optik duyarlılığın kesilmesi (<300 nm) Çözüm: Silisyum platformu üzerine melez nanokristal sintilatörleri 8 • Yüksek dalga boyu dönüşümü için çok iyi aday Morötesinde yüksek optik soğrulma Görünür bölgede yüksek ışıma verimliliği Işıma ve soğrulma tayflarının çok az kesişmesi Uygulamalar: 8 Si CMOS için morötesi duyarlılık artışı 8 Si CCD için morötesi görüntüleme 8 Morötesine uzanan fotovoltaiklerin verimiliklerinin artırılması 31/10/2007 Özellikle uzay uygulamaları için Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Silisyum temelli fotonik .Silisyum özellikleri 8Grup IV yarıiletkeni 8Yeryüzünde en çok bulunan ikinci element 8Avantajları Düşük maliyet Yüksek kristal kalitesi Elektronik ve optik özellikleri Yüksek termal iletkenlik Nonlineer özellikler •Silisyum teknolojisi –Elektronik ve optoelektronik için gelişmiş aygıtlar –Ürünler: örn., •Bütünleyici Metal Oksit Yarıiletken (CMOS) •Yalıtımlı silisyum (SOI) •Yükten bağlaşımlı aygıtlar (CCD) •Fotoalgılayıcılar http://www.research.ibm.com/photonics/images/200mm_soi_wafer.jpg •Fotovoltaikler http://www.pclabs.gen.tr/2004/05/10/ Nikon 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Nanokristaller •Onlarca - binlerce atomun kristal yapısında birleşimi •Sıfır boyutlu yapılar •Bohr yarıçapına yaklaştıkça kuvantum özelliklerinin görülmesi •Boyut bağımlı Elektronik geçişlerin enerji tayfı Optik geçiş ihtimali http://www.evidenttech.com/nanomaterials/evidots/images/superdots.jpg 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Nanokristal uygulamaları 8 Optoelektronik LEDler Fotovoltaikler Foto algılayıcılar Optik hafızalar 8 Biyoteknoloji Işıkla tanımlama http://www.evidenttech.com/business-units/led-displays.php http://www.voyle.net/Nano-Tsunami%20Archive%202005/03-2005%20Archive%20News.htm 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Nanokristallerin fotoışıma ve soğurma eğrileri 20000 absorption (a.u.) photoluminescence(a.u) 1.7 14000 1.6 12000 1.5 10000 1.4 8000 1.3 6000 1.2 4000 1.1 2000 1 0 450 490 530 570 610 650 690 wavelength (nm) 0.95 photoluminescence(a.u) 0.85 31/10/2007 = 5.2nm = 600 nm = 577 nm = 37nm = 200 µg/nmol 25000 20000 0.75 15000 0.65 10000 0.55 5000 0.45 450 0 490 530 570 610 650 wavelength(nm) CdSe/ZnS çekirdek kabuk nanokristalleri çap λPL λ1exciton FWHM konsantrasyon 30000 absorption (a.u) 16000 photoluminesence 1.8 absorption (a.u) 18000 a b so rp tio n(a.u) (a.u ) 1.9 çap λPL λ1exciton FWHM konsantrasyon = 2.4 nm = 548 nm = 525 nm = 36nm = 15 µg/nmol Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi 690 ph o to lu m in e se n c e (a .u ) 2 Fotoalgılama için nanokristal sintilatörler •Motivasyon –Morötesi bölgede silisyum optik duyarlılığını nanokristal melezleştirmesi ile arttırmak 3.5 1.5 25000 250 300 350 400 wavelength(nm) 450 500 550 600 60000 0.5 50000 0.4 40000 0.3 30000 0.2 20000 0.1 10000 20000 red nc yellow nc wavelength(nm) 0.7 15000 10000 absorption(a.u) 0.0 200 70000 photoluminescence(a.u) 0 0 400 440 480 520 560 600 640 1.0 0.5 absorption(a.u) 0.6 PL(a.u) 30000 0.7 5000 0 440 0.6 0.5 70000 absorption(a.u) photoluminescence(a.u) 60000 50000 0.4 40000 0.3 30000 0.2 20000 0.1 10000 PL (a.u) 2.0 absorption(a.u) 2.5 PL intensity (a.u) responsivity (A/W) (X10-2 3.0 0 0 400 440 480 520 560 600 640 wavelength(nm) 460 480 500 520 540 560 wavelength(nm) 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi 580 600 620 640 Nanokristal sintilatörler ile sağlanan optik duyarlılık artışı 300 Nanokristallerin içerisinde bulundukları polimere göre silisyum optik duyarlılığında nanokristallerle elde edilen yüzlerce kat artış 200 90 80 150 transmission(%) improvement 250 100 50 70 60 50 transmission of polymer transmission of nanocrystals in polymer 40 30 20 10 0 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 0 200 240 280 320 wavelength(nm) 360 wavelength(nm) E. Mutlugun, I. M. Soganci, and H. V. Demir, “Nanocrystal hybridized scintillators for enhanced detection and imaging on Si platforms in UV,” Optics Express 15(3), 1129 (2007). 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi 400 0.04 responsivity (A/W) 0.035 0.03 0.025 0.02 improvement(%) CdSe/ZnS nanokristal sintilatörleri ile optik duyarlılık artışı 500 Kırmızı eğri: Nanokristal melezleştirmesi sonrası kırmızı nanokristal sintilatörün optik duyarlılığı Mavi eğri: Silisyum fotoalgılayıcının nanokristal melezleştirmesi öncesi optik duyarlılığı Đç şekil: Silisyum algılayıcı duyarlılığındaki artış 300 100 -100200 250 300 350 wavelength(nm) 400 0.015 0.01 0.005 0 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 w avelength(nm ) Teorik hesabı etkileyen faktörler - Nanokristallerin kuvantum verimliliği - Nanokristallerin soğurma katsayıları - Fotoışıma ve soğurma örtüşme integrali - Morötesinde polimerin soğurması 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi CCD platform üzerinde morötesi algılama Geniş morötesi aydınlatma ile Morötesi optik spot ile Üzeri boş CCD 31/10/2007 Nanokristal sintilatörlü CCD Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Sonuçlar • Morötesi nanokristal sintilatörlerinin kavram ispatı (proof-ofconcept) gösterimi 8 Morötesinde fotoalgılama için ilk kez gösterilen nanokristal sintilatörleri Silisyum detektörlerin optik duyarlılının önemli ölçüde artırılması Morötesi görüntüleme için silisyum tabanına melezleştirilmiş CCD gösterimi 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Nanokristaller ile ayarlanabilir beyaz ışık üretimi Sedat Nizamoğlu, Emre Sarı, Tuncay Özel, Hilmi Volkan Demir 8 EURYI Avrupalı Genç Bilim Đnsanı Ödülü S. Nizamoglu, T. Ozel, E. Sari, and H. V. Demir, “White light generation using CdSe/ZnS nanocrystals hyridized on blue LEDs, Nanotechnology 18, 065709 (2007) 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Nanokristaller ile Beyaz Işık Üretimi • Fosfor 8 • Nanokristaller Sabit ışıma tayfı 8 Ayarlanabilir ışıma tayfı PL for nanocrystals prepeared by capillary effect bluenc greennc yellownc rednc 1,0 0,8 a.u 0,6 0,4 0,2 0,0 450 500 550 600 650 wavelength(nm) Önerimiz: Nanokristal kombinasyonları kullanarak ayarlanabilir beyaz ışık üretimi 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi 700 750 800 NANOTECHNOLGY dergisinde kapak 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Deneysel Başarı • Dünyada ilk kez Ayarlanabilir renk özellikleri ile 8 CdSe/ZnS nanokristallerin çoklu (üçlü, dörtlü) kombinasyonu kullanılarak beyaz ışık elde edilmesinin ilk gösterimi 8 • Hibrid Nanokristal Beyaz Epitaksiyel tasarım 8 Epitaksiyel büyütme 8 Fabrikasyon 8 NC melezleştirme 8 Karakterizasyon 8 S. Nizamoglu, T. Ozel, E. Sari, and H. V. Demir, “White light generation with CdSe/ZnS core-shell nanocrystals and InGaN/GaN LEDs,” IEEE Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD 2006), Perth, Australia (6-7 December 2006). 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Görünür LEDler Yeşil Mavi Mor E. Sarı, S. Nizamoglu, T. Ozel, H. V. Demir, A. Inal, E. Ulker, E. Ozbay, Y. Dikme and M. Heuken, “InGaN/GaN based LEDs with electroluminescence in violet, blue, and green tuned by epitaxial growth temperature,” Proceedings of IEEE Lasers and Electro-Optics Society 2006 Annual Meeting (LEOS 2006), pp. MC 3, Montreal, QC, Canada, 29 October – 2 November 2006. Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi 31/10/2007 Mavi optik modülatörler • Silikon tabanlı mikroelektroniğin 8 Çalışma hızı Elektriksel bağlantıların RC kısıtlaması nedeniyle sınırlı • Çözüm: 8 • Optik saat sinyali Şu anda, yalnızca kızılötesi (IR) için çipboyutunda optoelektronik aygıtlar bulunuyor 8 Ancak, kızılçtesinde silikon fotoalgılayıcılar sorun yaşıyor 8 Bu nedenle, III-V photoalgılayıcıların silikon üzerinde hibrid entegrasyonu gerekiyor • Hız kıstlaması (<1 GHz) CMOS-sonrası fabrikasyon: sorunlu Bizim önerimiz: 8 • Mavi optik saat sinyalinin üretimi Silikon fotoalgılayıcıların yüksek hızlarla çalıştığı (>10GHz) - Mavi kuvantum modülatörleri ile 31/10/2007 Source: Intel Silikon CMOS’a doğrudan optik saat enjeksiyonu için 8 Đlk çip boyutunda çözüm Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Morötesi ve görünür kuvantum elektrosoğurma modulatörü Emre Sarı, Tuncay Özel, Sedat Nizamoğlu, Hilmi Volkan Demir • Đşlev: 8 Morötesi ve görünür ışıkta kuvantum etkisine dayalı elektrosoğurma “Ters” kuvantum sınırlı Stark etkisi Optik modülasyon ve veri kodlaması • Yenilik: 8 Değişen yüksek polarizasyon alanlarından kaynaklanan kuvantum zigzag yapıları • Uygulamalar: 8 Morötesinde görme çizgisi (lineof-sight) olmayan iletişim 8 Mavi renkte CMOSa doğrudan optik saat enjeksiyonu 8 EU increasing reverse bias voltage Marie Curie Ödülü E. Sari, S. Nizamoglu, T. Ozel, and H. V. Demir,“Blue quantum electroabsorption modulators based on reversed quantum confined Stark effect with blue shift,” Applied Physics Letters, 90, 011101 (2007). 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Mavi renkte elektro-soğurma Dünya rekoru: En güçlü mavi elektro-soğrulma E. Sari, S. Nizamoglu, T. Ozel, and H. V. Demir, “Blue InGaN/GaN-based quantum electroabsorption modulators,” IEEE Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD 2006), Perth, Australia (6-7 December 2006). Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi 31/10/2007 Moleküler nanokristaller Đ. Murat Soğancı, Evren Mutlugün, Đ. Özge Huyal, Hilmi Volkan Demir Avrupa Birliği Nanofotonik için Phoremost Mükemmellik Ağı Nanokristal gömülü aygıtlar lideri: Hilmi Volkan Demir Üyeler: Bilkent, UHamburg, TUDresden, UniDo, IMAPh, IoffeSP, LENS, ICMM (A) Cd17S4(SCH2CH2OH)26 (Gaponik, UHamburg ve TUDresden) (B) Optik soğurma: çözelti içerisinde (doğru çizgi) ve ince film içerisinde (kesikli çizgi) (C) SEM görüntüsü 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Fotokatalitik metaloksit nanoparçacıklar Sümeyra Tek, Evren Mutlugün, Đ. Murat Soğancı, Đ. Özge Huyal, Dilek Yücel, Gülsen Çeliker, H.Volkan Demir transmission of acrylic (6nm) TiO2 nanoparticles contaminated with methylene before and after activation 30 %acrylic (6nm) sample transmission(%) 25 %acrylic (6 nm) contaminated w ith methylene 20 15 %acrylic (6nm) contaminated w ith methylene after 6 hours activation 10 %acrylic (6nm) contaminated w ith methylene after 16 hours activation 5 0 400 450 500 550 600 650 700 [1] Ortak patent başvurusu. wavelength(nm) [2] “Size effect in optical activation of TiO 2 nanoparticles in photocatalytic process,” IEEE LEOS 2006. [3]“Optical efficiency and NOx reduction properties of photocatalytic Ti02 nanoparticles activated in UV,” PRA Nano Hyrid Coating 2007. Endüstriyel partner [4] “Optically highly efficient photocatalytic nanoparticles,” submitted. 31/10/2007 DYO ile işbirliği Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Ve… • Nanoteknolojinin modern insan yaşamını buhar makinasından ve bilgisayarlardan çok daha fazla etkileyeceği beklenmektedir. • Ülkelerin gelişmişlik seviyelerini belirleyecek olan nanoteknoloji ülkeler arası teknolojik bir yarışa dönüşmüştür. • Nanoteknoloji geleceğin teknolojisi ve iş alanları arasındadır. 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Grubumuz Source: EvidentTech Demir Grup @ Bilkent Universitesi 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi Evren Mutlugün Fizik Bölümü Nanoteknoloji Araştırma Merkezi Bilkent Üniversitesi, Ankara [email protected] 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi