Anyagtudomány I.é villamosmérnök Gyulai József MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet és BME Kísérleti Fizika Tanszék

Az anyagtudomány elhelyezése, szerepe a XX-XXI. század fordulóján Energiastratégia: a fejlődő országok fajlagos (egy főre jutó) energia-igénye 2050-re – OECD mai szint Mottó: "SPACESHIP EARTH" (B. Fuller, 1969) Qtöbblet = 0,0005QNap  Δ<T> = 1oC Termelési-fogyasztási folyamatok – zárt ciklusokba Kritikus tudományok: ·        energetika ·        anyagtudomány és ·        számítástudomány, -technika (logisztika) ·        infrastruktúra: víz, közlekedés, meteo, stb.

Anyagtudomány és technológia a fizikai, kémiai törvények anyagalakításra alkalmazása, "szerszámok" (akár atomi szinten) Technológia: szabályrendszer, amely reprodukálhatóan rögzíti a "szerszámok" működési tartományát A technológiák jellege építkező – (Bottom-up) lebontó – (Top-down)

Antik bottom up technológia - üvegmozaik Egyiptom, Kr. u. 1. sz Antik bottom up technológia - üvegmozaik Egyiptom, Kr.u.1.sz., magas o.p.-jű üvegszálakból félalak, alacsonyabb o.p.-jű üveggel kiöntve, szeletelve

Szerkezeti anyagok, funkcionális anyagok. I Szerkezeti anyagok: alapvetően a mechanikai, a szilárdságtani tulajdonságok, pl. szakító szilárdság, ill. kopás-, és/vagy korrózióállóság, de lehet fontos a biokompatibilitás, hőállóság, sugárzásállóság, stb. Legtöbbször az anyag tömbi tulajdonságai dominálnak a kiválasztáskor

Szerkezeti anyagok, funkcionális anyagok. II Funkcionális: Bármilyen külső hatásra (elektromos, optikai, mágneses, gravitációs, stb.) adott - végül elektromos - válasz A „funkció” lehet: fizikai, kémiai, biológiai elvű tulajdonság ("smart"), technológiai műveletek sorával kialakított számítás-, híradástechnikai, optikai stb. alkalmazás, mágneses, mechanikai, gravitációs stb. érzékelés. Az "érzékelés" (jeladás) és/vagy a "beavatkozás" képessége

Trendek 2001

Nagyítás

Közlekedés, energiafaló Frontvonalak Közlekedés, energiafaló Hibrid motorok, elektromos autó anyagai Akkumulátorok, tüzelőanyagcellák + fényelem A napelemes repülőszerkezet: 23000 m felett Építőipar - a városi lét energia-krízise energiatakarékos építkezés mint minimum, "smart housing" mint cél a világítás forradalma – félvezetők, kisülések A MEMS-től, ill. azzal a Nanotechnológiá-ig – több ág elektronikai, – kémiai, – bio- és biomimetikus, – orvosi rendszerek

Közlekedési eszközök anyagai Hibrid motorok - kínálkozik az 1 literes autó létezik, 2-3 literes széria elektromos autó - automatizálási kérdés a "konnektorból töltendő" nem az igazi napelemmel készített üzemanyag az igazi Akkumulátorok - kicsi a tartalék, metastabil állapot Tüzelőanyagcellák - hidrogén tárolás megoldandó ma, kőolaj bontással, még "10 literes" a kocsi mai olcsó (másfél év után nettó energiatermelő) napelemmel (Dunasolar) vízet bontva, nálunk, 30-50 m2/gépkocsi naptelep (1,5 -2 MWh/év)

Építőipar Energiatakarékos építkezés előllítás: Al-acél-cement-beton-homok-hamu-talaj hőszigetelés, 75% megtakarítás a "mészkő-(vulkanikus)hamu" keverékkel "smart housing" mint cél - olcsó CIS (réz-indium-diszelenid) naptelepek, tetőcserépbe integrálva

Egyéb területeken – pl. sporteszközök Csúcsteljesítmény szinte valamennyi Főleg a műanyagipar tekintetében: teniszütő, hajók, síléc, textiliák, stb. Fémek: golf-ütők, kard-tőr, korcsolya, Komplex: versenyautók

Mikroelektronika, IC, Kilby (Nobel Díj), Lézer, Alferov (Nobel Díj), a felvétel MFA

Miniatürizálás Nem csak kis méret, hordozhatóság, kis fogyasztás miatt fontos. A megbízhatóság is fontos elem: minél több intelligenciát kell belezsúfolni a tokba, A hibák főleg az emberrel való kommunikáláskor lépnek fel. Elérhető 1010 lépésre egyetlen tévesztés, ami ún. redundáns szervezéssel "Soft" hiba

Az öregedés Nemkívánatos atomi mozgásokkal függ össze. Főleg helyi melegedések okozzák. Jól tervezett áramkörnél ennek az esélye minimális. A mikroelektronika anyagai olyan tökéletesek, hogy pl. egy vékony, szigetelő oxidrétegben elhelyezett kis szilícium-szigetre helyezett, akár egy-két elektron évtizedig ott marad!

MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) tranzisztor A kapuelektródra adott feszültség nyitja/zárja a f-ból a ny-be az áramot – attól függően, hogy milyen a Si vezetési típusa, ill. hogy az ún. többségi vagy kisebbségi "töltéshordozók" viszik az áramot. Azok töltésével azonos feszültség zár le. Kapu elektród "Vékony" SiO2 Csatorna Nyelő Forrás Si

Példák a csúcsteljesítményre. A gazdaságosság kritériuma: a szelet-átbocsátó-képesség: 1 szelet/perc – függetlenül a szeletátmérőtől.  A Si: Φ=300 mm, diszlokációmentes egykristályokon készítik. A SiO2 : a következő kritériummal jellemzett: doxid = (3  0,2) nm – a Si rácsállandója kb. 0,5 nm. Egyatomos lépcsők, A lépcsők éleinél lévő Si atomok kötései nem tudnak Si-O-Si láncokká szerveződni, elektron-csapdák. A tűrhetőség határa 1013 m-2, azaz legfeljebb minden ezredik atomnál lehet ilyen.  A méretcsökkenés az optika "csodája".

Kvantum-tranzisztor, 2D elektrongáz, ultranagy frekvencia

MEMS "mikrorezsó" - pellisztor (gázérzékelő), MFA Si3N4 lemez lebeg, 2x2 áramvezeték, fűtőtest, hőmérő Erre épül a gázt elégető katalizátor, SW-rel specifikus

Érzékelő rendszer, gázáramlásra is

MEMS Gyorsulásérzékelő (IBM)

MEMS Giroszkóp (Sandia) A fésű-elektródok mozdulnak el, érzékelés kapacitív

Mikro-Nano: Optikai tiltott sáv anyagok: IR-re Sandia, láthatóra lepkeszárny

Fotonikus tiltott sávú "kristály" Lepke

Nanotechnológiák Informatika, hírközlés, optoelektronika Minden fizikai mennyiség, aminek két stabil állapota van, pl. spin Egyelektron tranzisztor, Kvantumpötty, 0D, "mesterséges atom"

Nanotechnológiák - informatikai területen Single Electron Transistor, SET Kvantumpötty, 1D, - - mesterséges atom - - Kvantumgödör 2D nagyfrekvenciás eszközök Egyéb elvek (szupravezető elektronpárok polarizációja, spinelektronika, stb.), amelyek két stabil állapottal rendelkeznek (egyelőre mind 0K körül működik) Optikai rendszerek – fotonikus kristályok

Nano-info: Kvantum sejtautomata, mester-séges, kölcsönható He-atomok (2-2 elektron)

Nanotechnológiák, II. Nagyfrekvenciás eszközök (Kroemer) Lézerek (Alferov) Fizikai határok... A fizika, kémia átalakítja a biotudományokat – kvantitatív, első elvekre alapozódás tanui vagyunk

Szén nanocső, ionbesugárzással grafitból, MFA

A nanotechnológia nem-informatikai ágai A pásztázó szondás módszerek – mint preparatív technika Kémiai: katalízis, a fullerén-, szén nanocső, bio-rendszerek Önszerveződéssel nanostrukturált tömbi anyagok, fémek, kompozitok, kerámiák, dielektrikumok Végső cél: az élővilág napenergiára alapozott "preparatív technikáját" a szervetlen világban alkalmazni, a kódolás-kiválogatódás ottani elveit megkeresni Álmom a "szemétdomb", ahol a hulladékok a Nap hatására visszaalakulnak nyersanyaggá…

Hazai példa: az Y-alakú egyfalú szén nanocső

Hazai példa: a spirális egyfalú szén nanocső

Nano-info: pórusos Si kvantumos fényemitter, MFA, HF-ben elektrokémiai marással

Nano-kémia: önszerveződő rendszerek, reakciók térbeli rendezése, Sandia, Sn/Au

Nano-bio: E.Coli baktérium forgó zászlója 100000/perc, proton-ugrás, nanomotor

Az integrált áramkörök technológiái Mintegy tízféle művelet, pár-száz lépéses sora "Front end" és "Back end" Rétegépítő, – eltávolító, ábraalakító műveletek

Gordon Moore "törvénye" (1974) 2001 2004 2005 2008 2011 Min. vonal-méret 1,8 m 1,1 m 100 nm 70 nm 50 nm Memóriák Bit/chip Költség/Bit (mc)   1G 0,003 4G 0,001 16G ,0005 64G ,0002

Rétegépítő műveletek Oxidáció, ionimplantáció, diffúzió, kezdeti, lineáris szakasz – reakció-limitált a későbbi parabolikus szakasz – transzport-limitált ionimplantáció, diffúzió, rétegleválasztások fizikai, kémiai

Rétegleválasztások Fizikai Vákuumpárologtatás kémiai Chemical Vapor Deposition (CVD) atmoszferikus kisnyomású plazmával segített

Diffúzió Fick nem-Fick többféle mechanizmus Koncentráció függő Defektfüggő

Oxidáció kezdeti, lineáris szakasz – reakció-limitált a későbbi parabolikus szakasz – transzport-limitált az oxid/kristály határon nő, az odadiffundáló oxigén révén

Ionimplantáció Gyorsított ionok "belövése" Anyag-kontroll tömegszeparálás mélység kontroll profil kialakítás dózis kontroll áramintegrálás – pl. kondenzátort tölt Homogenitás kontroll pásztázás

Ionimplantáció, becsapódó ion pályájának vége, MFA

Rétegeltávolító műveletek, marás I. Nedves marás a folysav, HF, specifikus marószere a SiO2-nek A Si nedves marása is ezen az elven működik: a HF-hez egy, a Si-t oxidáló ágenst, pl. HNO3-at adunk. A keletkező oxidot a HF eltávolítja. Van speciális marószere a többi dielektrikumnak (szilíciumnitrid – foszforsav), fémeknek (lúgos marások), stb. Gáz-, ill. plazmamarás pl. KFZ...

Rétegeltávolító műveletek, marás II. Különleges marások Orientációfüggő marás. Pl. KOH százszor gyorsabban mar egyes irányokat. Adalékolás-függő marások. Pl. p-p+ határon leáll, kellhet megvilágítás is

Ábraalakító műveletek, I. Fotolitográfia Mint a rézkarc-technika: "reziszt", ábraalakítás maszk-technika direkt rajzolás

Ábraalakító műveletek, II. Elektronlitográfia Fókuszálható, direkt rajzolás Maszkgyártásra is jó

Ábraalakító műveletek, III. Röntgenlitográfia Kis ábrák, de a maszkolás nehéz Ionos litográfia 1:10 kicsinyítés lehet rezisztek nagyon érzékenyek a protonokra

Rétegeltávolító műveletek, marások

Rétegeltávolító műveletek, marások