Nanoteknoloji ve nanokristal temelli aygıtlar

Transkript

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
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
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
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
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
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
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
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
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
Source:web
Güneş kremi
Çinko oksit boyutları sayesinde UVB ve UVA zararlı ışıklarını
geçirmez.
Güneş Kremleri sonucunda ortaya çıkan beyazlık oluşmaz.
31/10/2007
Source:web
Lotus (nilüfer çiçeği)
Lotus yaprağında yağmur damlaları
31/10/2007
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
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
Özet
•Motivasyon
•Silisyum fotonik
8Si
temelli optoelektronik agıtlar
•Nanokristaller
8Optik
özellikler
•Fotoalgılama için nanokristal sintilatörleri
8Deneysel
karakterizasyon sonuçları
•Sonuçlar
31/10/2007
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
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
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
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
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
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
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
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)
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
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
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
CCD platform üzerinde morötesi
algılama
Geniş morötesi
aydınlatma ile
Morötesi optik
spot ile
Üzeri boş
CCD
31/10/2007
Nanokristal sintilatörlü
CCD
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
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
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
700
750
800
NANOTECHNOLGY dergisinde kapak
31/10/2007
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
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.
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
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
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).
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
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
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
Grubumuz
Source: EvidentTech
Demir Grup @ Bilkent Universitesi
31/10/2007
Evren Mutlugün
Fizik Bölümü
Nanoteknoloji Araştırma Merkezi
Bilkent Üniversitesi, Ankara
[email protected]
31/10/2007

Nanoteknoloji ve nanokristal temelli aygıtlar

Transkript

Benzer belgeler

bilkent yeni müzik günleri v - Bilkent Üniversitesi Müzik ve Sahne

Bahar - Kanat

SCIENCE CUP 4.TUR “SCIENCE EXPLORERS TEAM” 1

Nanoteknoloji ve Metamalzemelerin Sihirli Dünyası Bilkent

“Cristiano Ronaldo” gökadasında dev ilk yıldızlar

01 – 27 - Bilkent Üniversitesi

Tamamını görüntüle - Dünya Kazan Biz Kepçe

TC BAŞBAKANLIK Toplu Konut İdaresi Başkanlığı

CTIS290 Summer Internship (2016 Summer) quotas formed by CTIS

HOLOGRAM, M KROKOZMOS, MAKROKOZMOS ve BÜTÜNCÜL